WO2023075629A1 - Device for producing nitric oxide - Google Patents

Device for producing nitric oxide Download PDF

Info

Publication number
WO2023075629A1
WO2023075629A1 PCT/RU2021/000465 RU2021000465W WO2023075629A1 WO 2023075629 A1 WO2023075629 A1 WO 2023075629A1 RU 2021000465 W RU2021000465 W RU 2021000465W WO 2023075629 A1 WO2023075629 A1 WO 2023075629A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
voltage
ultraviolet radiation
discharge chamber
discharge
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/000465
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич БУРАНОВ
Владимир Иванович КАРЕЛИН
Виктор Дмитриевич СЕЛЕМИР
Александр Сергеевич ШИРШИН
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"
Priority to PCT/RU2021/000465 priority Critical patent/WO2023075629A1/en
Publication of WO2023075629A1 publication Critical patent/WO2023075629A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/20Nitrogen oxides; Oxyacids of nitrogen; Salts thereof
    • C01B21/24Nitric oxide (NO)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/20Nitrogen oxides; Oxyacids of nitrogen; Salts thereof
    • C01B21/24Nitric oxide (NO)
    • C01B21/26Preparation by catalytic or non-catalytic oxidation of ammonia
    • C01B21/28Apparatus
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof

Definitions

  • the invention relates to plasma chemistry, in particular to the production of nitric oxide (NO) from atmospheric air using an electric discharge and can be used in medicine (inhalation NO - therapy, cardiac surgery, as well as therapy for wound, inflammatory, vascular and other pathologies), in scientific research (experimental modeling of physical processes in the upper layers of the Earth's atmosphere), biology (the impact of NO on biological objects).
  • NO nitric oxide
  • the known device includes a discharge chamber, two high-voltage electrodes electrically isolated from each other, placed inside the discharge chamber in such a way that there is an interelectrode space between said electrodes, inlet and outlet channels, and an air pump.
  • an NO-containing air-plasma flow with a temperature of about 3200°C enters the outlet channel, which includes a hardening chamber, intermediate and final cooling paths.
  • the quenching chamber there is a rapid cooling (10 7 -10 8 deg/sec) of the gas to a temperature of about 1000°C, which ensures the fixation (quenching) of nitrogen oxide.
  • the gas flow passes through the intermediate and final cooling paths, in which the temperature drops to 150°C and 30°C, respectively.
  • the cooled NO-containing gas is supplied to the consumer.
  • a disadvantage of the known device is the high operating temperature of the gas.
  • T el the parameters of the air plasma are very close to equilibrium (T el /T gas ⁇ 1), where T el is the average electron temperature, T gas is the average gas temperature.
  • T el the average electron temperature
  • T gas the average gas temperature.
  • the bulk of the energy should be spent on heating the plasma as a whole to a temperature of 3400–3700°C. In this case, high thermal loads on the design elements of the discharge chamber and the outlet channel reduce the reliability of the device.
  • heat removal from said electrodes and outlet channel elements is carried out by means of a combined cooling system, which includes a plurality of built-in channels with high-temperature seals, which also reduces reliability.
  • the known device includes a discharge chamber, two coaxial high-voltage electrodes electrically isolated from each other, placed inside the discharge chamber in such a way that there is an interelectrode space between said electrodes, an inlet channel and at least one outlet channel, a gas filter, an air pump, a purification unit.
  • the source gas purified from mechanical impurities in the gas filter, is fed by means of a pump through a heat exchanger, a thermostatically controlled heater and an inlet channel into the interelectrode space of the discharge chamber.
  • on said electrodes supply a high-voltage alternating or pulsed alternating voltage with a frequency above 1 kHz and an amplitude sufficient for electrical breakdown of the gas interelectrode space.
  • a dielectric layer (barrier) on the outer electrode from the side of the interelectrode space provides a breakdown of the mentioned space in the form of a sequence of groups of short-lived (no more than 100 nanoseconds) microdischarges, called a barrier discharge [see Fig.
  • an NO-containing gas flow with a significant amount of NO 2 (nitrogen dioxide) impurity enters through the outlet channels into the purification unit. Further, the gas stream purified from NO 2 passes through a heat exchanger and a cooler for intermediate and final cooling. The NO-containing gas mixture cooled to room temperature enters the gas analyzer and is sent to the consumer.
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • the disadvantage of the known device is that one of the high-voltage electrodes is made with a dielectric coating.
  • the breakdown of the gas gap in the presence of a dielectric barrier occurs in the form of a set of microdischarges with a characteristic diameter of ⁇ 0.3 mm and a current density in the channel of ⁇ 100 A/cm 2 .
  • a sharply inhomogeneous distribution of currents along the surface of the dielectric, a sharply inhomogeneous distribution of currents. This inhomogeneity causes local overheating, a strong temperature gradient and mechanical stress, which leads to a decrease in the strength of the dielectric barrier and, as a result, reduces reliability.
  • Another drawback of the known device is related to the fact that at low temperatures the oxidation reaction NO + O 3 —>NO 2 +O 2 plays an important role, as a result of which, due to a significant amount of ozone, the concentration of NO in the BR cannot reach a noticeable value. And only at a gas temperature of about 800 ° C, the concentration of O 3 drops so much that favorable conditions are created for the reaction N + O 2 - > N0 + 0, which provides the required concentration of NO.
  • the known device additionally contains an initial mixture heater, a heat exchanger and a refrigerator, which reduces the temperature of the NO-containing gas to room temperature, which is a disadvantage, since they complicate the design and reduce the reliability of the device.
  • the known device contains a discharge chamber, including two high-voltage rod electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump, a cleaning unit, wherein the inlet of said pump is connected to the gas filter, the outlet of said pump is connected to the inlet channel of the discharge chamber, and the input of the said cleaning unit is connected to the discharge channel of the discharge chamber.
  • the source gas (air) purified in the filter is pumped through the inlet channel into the discharge chamber, which includes the interelectrode space.
  • the discharge chamber which includes the interelectrode space.
  • an alternating voltage of industrial frequency 50-60 Hz
  • a spark discharge is formed between high-voltage electrodes, in the plasma of which nitric oxide and a certain amount of other gases (ozone, nitrogen dioxide, etc.) are synthesized.
  • the gas mixture is discharged through the outlet channel to the purification unit.
  • the purified NO-containing gas mixture is supplied to the consumer.
  • the discharge occurs periodically (twice during the period of industrial frequency), and its appearance is associated with the achievement of a breakdown voltage on the mentioned electrodes interelectrode space, and extinction corresponds to the moment when the voltage becomes less than the discharge burning voltage.
  • the threshold specific energy input (W/v>l J/cm 3 , where W is the energy input in the pulse, v is the gas flow volumetric velocity) in a known device can be provided if each a single train has a large amount of energy. This is disadvantageous because it leads to excessive heat generation near the electrode surface and severe erosion, which reduces reliability.
  • Another disadvantage that reduces reliability is the execution of the electrode system in the form of an axisymmetric rod structure with transverse blowing, since in this case there is a binding of spark channels to the sharp edges of the electrodes, local overheating and erosion.
  • the next disadvantage of the known device is the high instability of the discharge supply. This is due to the fact that a slowly increasing voltage is applied to the interelectrode space, and the moment of electrical breakdown has a large time spread. So, the magnitude of the breakdown voltage of the interelectrode space, which varies significantly from pulse to pulse, entails fluctuations in the electrical parameters of the train (average current, energy, etc.). In particular, at too low values of the breakdown voltage, the value of the specific energy content can be below the threshold value of 1 J/cm 3 , which briefly disrupts the above mechanism of nitric oxide synthesis. In this case, unspent oxygen atoms participate mainly in the competing reaction of ozone synthesis. The destruction of this unwanted gas requires additional equipment, which reduces reliability.
  • the known device contains a discharge chamber, including at least two high-voltage electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump and an additional voltage pulse generator connected to the high-voltage electrodes.
  • the air purified in the filter is pumped through the inlet channel into the discharge chamber, which includes the interelectrode space.
  • the discharge chamber which includes the interelectrode space.
  • a continuous electric discharge is formed between the high-voltage electrodes, in the plasma of which nitric oxide is synthesized.
  • the NO-containing gas mixture leaving the outlet channel is fed into a medical, technological or biological system.
  • the known device contains a discharge chamber, including at least two high-voltage rod electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump and a voltage pulse generator connected to the high-voltage electrodes.
  • the voltage pulse generator operates in pulse-width mode (PWM) with a short-term increase in voltage at high-voltage electrodes at the beginning of each pulse.
  • PWM pulse-width mode
  • the peak values of voltage and current are sufficient for electrical breakdown of the air interelectrode space and excitation of a spark discharge, in the plasma of which the physicochemical reactions of nitric oxide formation start.
  • the required amount of nitric oxide is set due to the possibility of regulating the pulse duration at relatively low voltage and current values, which reduces the wear of high-voltage electrodes.
  • the known device uses two power circuits, connected in series by electronic keys. At the same time, due to transient processes in the high-voltage summation circuit, the switches are subject to the destructive effects of short-term overvoltages. This factor is a disadvantage that reduces reliability.
  • the duration of the electric discharge is varied over a wide range of 0.1 - 10 ms.
  • the gas temperature in the contact area rises significantly. plasma from the surface of the electrodes, which reduces the reliability due to their thermal erosion.
  • the closest technical solution to the claimed invention is a device for obtaining nitric oxide from the air of the authors S.N. Buranov, V.I. Karelin, V.D. Selemir, A. S. Shirshin according to the description of the Russian patent [RU 2553290 Cl, C 01 B 21/24, C 01 B 21/32 publ. 06/10/2015], which discloses an alternative approach to preventing wear of high-voltage electrodes due to high-energy arc (spark) discharges.
  • a known device for producing nitric oxide includes a cylindrical discharge chamber, a gas filter, a pump, a cleaning unit, a high-voltage voltage pulse generator with an adjustable pulse repetition rate, the chamber contains two electrically isolated high-voltage electrodes with an interelectrode space between them, an inlet and an outlet channel , the first high-voltage electrode is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel, is installed transversely to the axis of the discharge chamber, the second high-voltage electrode is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator is connected to the high-voltage electrodes.
  • the authors used periodic microsecond pulses with an adjustable repetition rate f, which excited a spark discharge in the air flow between the disk electrode and the semicircular wire electrode, while air was introduced into the discharge chamber along its central axis through a hole in the disk electrode.
  • t d consists of the sum of the statistical time t c required for the formation of at least one initial (starting) electron in the proper region of the gap and the time tf during which this electron is able to break down. Since at atmospheric pressure (p ⁇ 760 Torr) and the interelectrode gap (d ⁇ 0.3 cm) the first term is significantly greater than the second, the main attention was paid to reducing the time t c .
  • the disadvantage is also the design of one of the electrodes, made of stainless wire with a diameter of 0.5 mm. This electrode cannot be effectively cooled by heat transfer in the attachment area due to its small cross section. Therefore, with an increase in the discharge power, overheating of its central region occurs, which reduces reliability.
  • the chamber contains two high-voltage electrodes electrically isolated from each other with an interelectrode space between them, inlet and outlet channels, the first high-voltage electrode is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel, is installed transversely to the axis of the discharge chamber, the second high-voltage electrode is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator is connected to high-voltage electrodes, new is that the second high-voltage electrode is made in the form of a disc sector with a sharp edge beveled at an angle and with a side hole for the outlet channel, the device is equipped with a source of ultraviolet radiation to illuminate the sharp edge of the second electrode, while the
  • the source of ultraviolet radiation is made on the basis of an ultraviolet LED.
  • the source of ultraviolet radiation is made on the basis of a gas-discharge quartz lamp. Also, the source of ultraviolet radiation makes it possible to form a collimated beam.
  • the source of ultraviolet radiation makes it possible to form a converging beam, the focus of which is at the intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of a sharp edge.
  • the claimed device uses a source of ultraviolet radiation for direct illumination of the second electrode and illumination of the first electrode by light reflected from the surface of the second electrode beveled at an appropriate angle.
  • photons have an energy higher than the work function (A) from the electrode material (condition X ⁇ 1240/A), which causes a single-photon photoelectric effect.
  • the photoelectric effect produces electrons more stably and in larger quantities. Photoelectrons are accumulated near the electrodes in advance with a short time t c , even at the beginning of the high-voltage pulse front.
  • a significant photoelectron current amplified by electron avalanches, forms a high-conductivity plasma channel that bridges the gap.
  • the formation time of a highly conductive channel (breakdown) tf at atmospheric pressure is no more than 0.1 ⁇ s [Mesyats G.A., Uspekhi obtainheskikh nauk, October 2006, Volume 176, No. 10, pp. 1069 - 1091].
  • the condition W/v>l J/cm 3 is ensured, which determines the effective formation of NO in the reaction O + N 2 * - »NO + N with the participation of vibrationally excited nitrogen molecules N 2 *, which increases reliability.
  • the design of the second electrode made in the form of a disk sector with a built-in outlet channel, allows it to be intensively cooled by heat transfer in the attachment area due to its larger cross section and the gas flow passed through the outlet channel. Therefore, with an increase in the discharge power, efficient heat removal from its central region takes place, which increases reliability.
  • UV radiation is introduced from the side wall of the discharge chamber and ensures that the light source is located at a sufficiently large distance from high-voltage electrodes, which protects the source from electrical breakdown and increases reliability.
  • the source of ultraviolet radiation can be made on the basis of a pulsed discharge lamp, giving bursts of radiation of very high brightness at millisecond durations. This increases the magnitude of the emission current of photoelectrons in the region near the electrodes and provides a breakdown of the interelectrode gap at the front of microsecond voltage pulses, which increases reliability.
  • the UV source can be made on the basis of an UV LED, which has a low supply voltage ( ⁇ 8 V), a long service life ( ⁇ 20 thousand hours), and almost instant readiness for operation, which increases reliability.
  • the source of ultraviolet radiation can be made with the formation of a collimated beam, the diameter of which is matched to the size of the interelectrode gap.
  • the gap length is not a critical parameter that determines the breakdown efficiency, which increases reliability.
  • the source of ultraviolet radiation can be made with beam focusing in the area of intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of the sharp edge of the second electrode.
  • Figure 1 shows a block diagram of the proposed device for producing nitric oxide, where:
  • UV ultraviolet
  • Figure 2 shows a block diagram of the proposed device for producing nitric oxide in the example of the best implementation, where:
  • UV radiation source ultraviolet
  • 12 - beam ultraviolet
  • 15 - neutralizer 15 - neutralizer.
  • the claimed device comprises a gas filter 7 connected in series, a discharge chamber 1, a pump 8, a cleaning unit 9, a high-voltage generator 10 of voltage pulses with an adjustable repetition rate f.
  • the discharge chamber 1 contains two high-voltage electrodes 3, 5 electrically isolated from each other with an interelectrode space 2 between them, inlet 4 and outlet 6 channels, the first high-voltage electrode 3 is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel 4, installed perpendicular to the axis discharge chamber, the second high-voltage electrode 5 is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator 10 is connected to the high-voltage electrodes 3.5.
  • the second high-voltage electrode 5 is made in the form of a disk sector 3-5 mm thick with a side hole for the outlet channel 6 and with a sharp edge beveled at an angle a ⁇ 45 ° ⁇ 5 °, in the direction of which the beam 12 of ultraviolet radiation is directed source 11 installed transversely axis of the discharge chamber.
  • the spectral range of ultraviolet radiation is selected from the condition for obtaining photoelectron emission X ⁇ 1240/A, where A is the work function of the electrode material, eV, X is the wavelength of ultraviolet radiation, nm.
  • the value of the angle a is chosen from the condition of illumination of the first electrode by UV radiation reflected from the beveled edge of the second electrode.
  • the outlet of the gas filter 7 is connected to the inlet channel 4, the outlet channel 6 is connected to the inlet of the pump 8, the outlet of which is connected to the inlet of the purification unit 9.
  • the source of ultraviolet radiation 11 can be made on the basis of an ultraviolet LED or a gas-discharge quartz lamp. Moreover, the source of ultraviolet radiation 11 can form a collimated (parallel) beam or a converging beam, the focus of which is at the intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of a sharp edge.
  • the first of the mentioned electrodes 3 is made in the form of a disk.
  • the second of the mentioned electrodes 5 is made in the form of a sector cut out of a disk 3 mm thick (the angle at the top is 30°).
  • the disk electrode 3 In the center of the disk electrode 3 there is a hole with a diameter of 1.5 mm for the inlet channel 4. Closer to the base of the sector electrode 5 there is a side hole with a diameter of 1.5 mm for the outlet channel 6.
  • the length of the interelectrode space 2 between electrodes 3 and 5 is 3 mm.
  • a hole is made for the input of the beam 12 of ultraviolet radiation of the source I.
  • the input angle between the optical axis of the beam 12 and the axis of symmetry of the discharge chamber is 90°.
  • the discharge chamber is intended for the electrosynthesis of nitric oxide in the flow of air passing through the space 2 under the action of high-voltage pulses applied to the said electrodes 3 and 5 with spark control by ultraviolet radiation.
  • Gas filter 7 is a main filter or a microfilter. It can also be made in the form of their sequential modular assembly.
  • the main filter is designed to remove solid particles larger than 5 microns from the air, as well as water and oil condensate. Water separation efficiency 99%.
  • the principle of operation is based on the effect of merging small drops into larger ones in the filter element. The formed large drops flow down to the bottom of the tank with a built-in automatic condensate drain.
  • the microfilter removes solid particles larger than 0.3 microns.
  • the oil content at its outlet is not more than 1 mg/m 3 .
  • a compressor is used, in the process of operation, including continuous, which does not introduce oil pollution into the pneumatic line.
  • Compressor capacity up to 1 l/min with free gas flow.
  • Compressor parts in contact with the pumped medium are made of corrosion-resistant materials: stainless steel, duralumin, PTFE compound.
  • the compressor is designed for pumping neutral and low-aggressive gases in medical, laboratory and analytical equipment.
  • Soda lime was used as purification unit 9, including 96% calcium hydroxide and 4% sodium hydroxide (in terms of dry matter).
  • the purification unit 9 is designed to purify the NO-containing stream leaving the discharge chamber 3 from nitrogen dioxide.
  • the purpose of the high-voltage pulse generator 10 is to generate power pulses for the discharge chamber 1 with a given repetition rate f.
  • the mentioned high-voltage generator 10 generates pulses of alternating polarity with an amplitude of up to 12 kV and a duration of up to 4 ⁇ s (at half-height of the pulse) using a resonant current inverter made according to a well-known bridge circuit on IGBT transistors IRG4IBC20UD with built-in reverse diodes (see Romash E.M. ., Drabovich Yu.I., Yurchenko N.N., Shevchenko N.N. High-frequency transistor converters. - M: Radio and communication. - 1988. - P. 228.).
  • the claimed device works as follows.
  • the gas pump 8 is turned on. In the gas filter 7, air pollution is removed. Filtration fineness, oil and water separation efficiency correspond to the required class, depending on the purpose of the installation.
  • An oil-free pump 8 pumps air through the discharge chamber 1, including the interelectrode space 2.
  • the gas pressure in the discharge chamber 1 is slightly lower than atmospheric.
  • a high-voltage voltage pulse generator 10 and a UV source 1 1 with a wavelength ⁇ 288 nm are activated (actually, the UV source is a little earlier), irradiating the second electrode with a direct beam and reflected beam - the first electrode.
  • the duration interval of UV radiation is such that several (3 - 5) voltage pulses fall into it without fail, following even with the lowest possible frequency from the specified regulation range f.
  • the radiation power with a photon energy of more than 4.31 eV is sufficient to create the required number of initial (starting) photoelectrons in the region of electrodes 3, 5 already during the front of the first of the series of pulses, causing a breakdown of the interelectrode space 2.
  • the deliberate choice of an overestimated duration radiation prevents the possibility of disruption of electrosynthesis in the supplied series of voltage pulses, if, nevertheless, the breakdown does not occur in the first pulse, which further increases reliability.
  • the generator of high-voltage pulses 10 in the process of formation of spark discharges carries out resonant energy transfer.
  • the high-voltage generator invests energy in the discharge plasma.
  • oxygen dissociation occurs and nitrogen molecules are transferred to an excited state, giving rise to nitric oxide synthesis reactions.
  • the discharge of atmospheric pressure which is formed and proceeds at high field strengths, is unstable - it tends to pass into other types of discharge.
  • microsecond pulses are applied to the electrodes.
  • the repetition frequency f of the pulses determines the concentration of NO in the gas stream.
  • T 10'4 sec of the formation of NO molecules due to the accumulated vibrationally excited nitrogen molecules: f MaKC ⁇ l/T.
  • f MaKC frequency control becomes ineffective due to strong non-linearity.
  • the rate of this reaction is higher than the rate of the ozone synthesis reaction competing with it O 2 + O + M ⁇ O 3 + M, where M is any molecule or atom.
  • the main part of the energy invested in the discharge is spent on the synthesis of NO. Therefore, maintaining the specific
  • spark discharges are formed, in the plasma of which nitric oxide and a certain amount of other nitrogen oxides (for example, nitrogen dioxide) are synthesized.
  • the source gas enters the discharge chamber 3 through the inlet channel 4 in the center of the disk electrode 3.
  • the NO-containing mixture through the outlet channel 6 in the sector electrode 5 is removed by the pump 8 to the purification unit 9.
  • purified from unnecessary nitrogen dioxide (NO2) NO - containing gas stream is sent to the outlet.
  • the respiratory circuit 13 is used to receive and transfer the flow of therapeutic NO-mixture, satisfying the minute volume of the patient's breathing.
  • Connections to the cleaning unit 9 and the monitoring unit 14 are made using detachable connections of the Luer-Lock type.
  • the monitoring unit 14 is designed to measure the mass concentrations of nitrogen oxide, nitrogen dioxide, gas flow rate and signals the appearance of dioxide and nitrogen oxide with a concentration above the permissible value. Calibration of measuring sensors - automatic. The measurement results are displayed on an alphanumeric display. On the front panel of the unit there is a keyboard for managing monitoring, obtaining additional information and setting alarm thresholds.
  • the neutralizer 15 is designed to clean the gas sample from NO and NO 2 after monitoring.
  • the neutralizer is a two-component adsorption-catalytic destructor.
  • NO 2 adsorption a purification unit based on calcium hydroxide is used.
  • a catalytic decomposition method is used. The concentration of NO and NO 2 in the gas mixture at the outlet of the converter does not exceed the MPC according to GOST 12.1.005.
  • MPC N0 5 mg/m 3 (4.01 ppm).
  • the work is carried out as follows.
  • the monitoring unit 14 and the ventilator are turned on, which, when inhaled, creates the main flow through the respiratory circuit 13.
  • the main flow rate is set depending on the minute volume of breathing.
  • NO-containing air is fed into the breathing circuit.
  • nitric oxide is mixed with the main respiratory stream, which is supplied from the ventilator.
  • a sample is taken from the breathing circuit for analysis, which is carried out by electrochemical NO and NO 2 sensors in monitoring unit 14.
  • the effect of the supply of NO-containing air on the initial flow of the respiratory mixture is minimized by matching the volumetric flow rate supplied to breathing circuit, and the flow taken for analysis.
  • the gas mixture is cleaned from nitrous gases in the neutralizer 15. It should be noted that during therapy, NO and NO 2 concentrations in the respiratory circuit are monitored continuously.
  • virus-bacterial hydrophobic filters (not shown in figure 2) are installed on the NO supply line and the NO and NO 2 monitoring line.
  • the concentration of nitric oxide in the respiratory circuit was regulated from 1 to 100 ppm by changing the pulse repetition rate of the high-voltage pulse generator from 50 to 5000 Hz and the rate of the main respiratory flow from 1.5 to 20 l/min.
  • the volumetric flow rate of NO-containing air supplied to the breathing circuit was about 0.5 l/min.
  • the step in the entire range of regulation of the NO concentration was 1 pp. There was no ozone in the respiratory tract outlet (with an accuracy of 0.01 ppm).
  • the values of the above parameters of the NO concentration did not go beyond ⁇ 20%, the depth of plasma erosion of the disk electrode did not exceed 0.05 mm, and the sector electrode did not exceed 0 .15 mm, which made it possible to reliably deliver the NO-containing mixture to the patient, even with prolonged therapy.
  • the medical device with the claimed device for obtaining nitric oxide has passed technical tests and clinical trials in 55 adult patients.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)

Abstract

The invention relates to the production of nitric oxide from air using electrical discharge and can be used in medicine, biology and scientific research. For this purpose, high-voltage pulses are fed to electrodes, of which a first electrode (3) is configured in the form of a disc with an inlet channel (4). In addition, a second electrode (5) is configured in the form of a sector of a disc having a sharp, angled edge and an outlet channel (6), and the device is equipped with a source of ultraviolet light (11) for illuminating the sharp edge of the second electrode, wherein the spectral range of the ultraviolet light is selected in order that a photoelectric emission of λ ≤ 1240/А is produced, where A is the work function of the material of the electrodes (eV) and λ is the wavelength of the ultraviolet light (nm), and the size of the angle is selected in order that the first electrode is illuminated with UV light reflected from the angled edge of the second electrode, wherein the outlet of a gas filter (7) is connected to the inlet channel, and the outlet channel is connected to the inlet of a pump (8), the outlet of which is connected to the inlet of a purification unit (9). The technical result is an increase in the reliability of the device.

Description

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОКИСИ АЗОТА DEVICE FOR OBTAINING NITRIC OXIDE
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к плазмохимии, в частности к получению окиси азота (NO) из атмосферного воздуха с помощью электрического разряда и может быть использовано в медицине (ингаляционная NO - терапия, кардиохирургия, а также терапия раневой, воспалительной, сосудистой и др. патологий), в научных исследованиях (экспериментальное моделирование физических процессов в верхних слоях атмосферы Земли), в биологии (воздействие NO на биологические объекты). The invention relates to plasma chemistry, in particular to the production of nitric oxide (NO) from atmospheric air using an electric discharge and can be used in medicine (inhalation NO - therapy, cardiac surgery, as well as therapy for wound, inflammatory, vascular and other pathologies), in scientific research (experimental modeling of physical processes in the upper layers of the Earth's atmosphere), biology (the impact of NO on biological objects).
Предшествующий уровень техники Prior Art
Процесс окисления азота в плазме электрического разряда, в частности дугового и искрового разряда, находит широкое применение в науке, медицине [Plasma Chem Process (2016) 36:737-766, IEEE Transactions of Plasma Science, Vol.28, No. l, February 2000] и промышленности. Преимуществами электроразрядных установок по сравнению с другими (например, химических, фотолитических) являются легко доступные запасы сырья (атмосферный азот и кислород), надежность оборудования и возможность размещения электроразрядной установки в непосредственной близости от места применения NO - содержащей смеси. The process of nitrogen oxidation in electric discharge plasma, in particular arc and spark discharge, is widely used in science and medicine [Plasma Chem Process (2016) 36:737-766, IEEE Transactions of Plasma Science, Vol.28, No. l, February 2000] and industry. The advantages of electric discharge installations in comparison with others (for example, chemical, photolytic) are readily available reserves of raw materials (atmospheric nitrogen and oxygen), equipment reliability and the possibility of placing an electric discharge installation in close proximity to the place of application of NO - containing mixture.
Немаловажное свойство установок на основе импульсного разряда - возможность широкодиапазонного точного регулирования содержания окиси азота в выходном потоке, что является особо необходимым фактором в медицинских применениях, требующих возможность осуществления строго дозозависимой индивидуальной терапии [Nitric Oxide, 60 (2016) 16-23 и Nitric Oxide, 75 (2018) 70-76]. An important feature of installations based on a pulsed discharge is the possibility of wide-range precise control of the content of nitric oxide in the output stream, which is a particularly necessary factor in medical applications requiring the possibility of implementing strictly dose-dependent individual therapy [Nitric Oxide, 60 (2016) 16-23 and Nitric Oxide, 75 (2018) 70-76].
Известно устройство для формирования NO-содержащего газового потока авторов А.В. Пекшева, А. Б. Вагапова, С.В. Грачева и др. по описанию изобретения к патенту России [RU 2183474, А 61 M l 1/00, опубл. 20.06.2002 г.] A device for the formation of NO-containing gas flow of the authors A.V. Peksheva, A. B. Vagapova, S.V. Grachev and others according to the description of the invention to the Russian patent [RU 2183474, A 61 M l 1/00, publ. 06/20/2002]
Известное устройство включает разрядную камеру, два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода, размещенных внутри разрядной камеры таким образом, что между упомянутыми электродами имеется межэлектродное пространство, впускной и выпускной каналы, воздушный насос. The known device includes a discharge chamber, two high-voltage electrodes electrically isolated from each other, placed inside the discharge chamber in such a way that there is an interelectrode space between said electrodes, inlet and outlet channels, and an air pump.
В известном устройстве атмосферный воздух через впускной канал подается насосом в разрядную камеру. Одновременно с подачей воздуха на упомянутые электроды подают постоянное напряжение порядка 400 В и с помощью инициатора формируют стационарный дуговой разряд, обеспечивая устойчивую генерацию в межэлектродном пространстве воздушной плазмы с температурой порядка 3700°С, оптимальной для осуществления в ней синтеза окиси азота в соответствии с плазмохимической реакцией N2+O2*->2NO. In a known device, atmospheric air through the inlet channel is pumped into the discharge chamber. Simultaneously with the supply of air, a constant voltage of about 400 V is applied to the mentioned electrodes and a stationary arc discharge is formed with the help of an initiator, ensuring stable generation in the interelectrode space of an air plasma with a temperature of about 3700°C, which is optimal for the synthesis of nitric oxide in it in accordance with the plasma-chemical reaction N 2 +O2*- > 2NO.
Из межэлектродного пространства NO-содержащий воздушноплазменный поток с температурой порядка 3200°С поступает в выпускной канал, включающий камеру закалки, промежуточный и окончательный тракты охлаждения. В камере закалки происходит быстрое остывание (107-108 град/сек) газа до температуры порядка 1000°С, что обеспечивает фиксацию (закалку) окиси азота. Далее из камеры закалки газовый поток проходит через тракты промежуточного и окончательного охлаждения, в которых температура падает до 150°С и 30°С, соответственно. С выхода выпускного канала охлажденный NO- содержащий газ поступает к потребителю. Недостатком известного устройства является высокая рабочая температура газа. Это связано с тем, что в условиях дугового разряда параметры воздушной плазмы очень близки к равновесным (Тэлгаз ~1), где Тэл - средняя температура электронов, Тгаз - средняя температура газа. Для подавления других продуктов электросинтеза (закиси и двуокиси азота, озона) и обеспечения эффективной наработки NO основная доля энергии должна расходоваться на разогрев плазмы в целом до температуры 3400-3700°С. При этом высокие тепловые нагрузки на элементы конструкции разрядной камеры и выпускного канала снижают надежность устройства. From the interelectrode space, an NO-containing air-plasma flow with a temperature of about 3200°C enters the outlet channel, which includes a hardening chamber, intermediate and final cooling paths. In the quenching chamber, there is a rapid cooling (10 7 -10 8 deg/sec) of the gas to a temperature of about 1000°C, which ensures the fixation (quenching) of nitrogen oxide. Then, from the hardening chamber, the gas flow passes through the intermediate and final cooling paths, in which the temperature drops to 150°C and 30°C, respectively. From the outlet of the exhaust channel, the cooled NO-containing gas is supplied to the consumer. A disadvantage of the known device is the high operating temperature of the gas. This is due to the fact that under conditions of an arc discharge, the parameters of the air plasma are very close to equilibrium (T el /T gas ~1), where T el is the average electron temperature, T gas is the average gas temperature. To suppress other products of electrosynthesis (nitrous oxide, nitrogen dioxide, ozone) and ensure efficient production of NO, the bulk of the energy should be spent on heating the plasma as a whole to a temperature of 3400–3700°C. In this case, high thermal loads on the design elements of the discharge chamber and the outlet channel reduce the reliability of the device.
Кроме того, отвод тепла от упомянутых электродов и элементов выпускного канала осуществляется с помощью объединенной системы охлаждения, включающей множество встроенных каналов с высокотемпературными уплотнениями, что также снижает надежность. In addition, heat removal from said electrodes and outlet channel elements is carried out by means of a combined cooling system, which includes a plurality of built-in channels with high-temperature seals, which also reduces reliability.
Известно «Устройство для плазмохимического получения окиси азота» авторов R. Castor, Т. Hammer по описанию к патенту США [US 6955790 В2, В 01 J 19/08, опубл. 18.10.2005 г.] В известном устройстве синтез окиси азота осуществляется в плазме барьерного разряда (БР). Known "Device for plasma-chemical production of nitric oxide" authors R. Castor, T. Hammer according to the description of the US patent [US 6955790 B2, 01 J 19/08, publ. 18.10.2005] In a known device, the synthesis of nitric oxide is carried out in the plasma barrier discharge (BD).
Известное устройство включает разрядную камеру, два электрически изолированных друг от друга коаксиальных высоковольтных электрода, размещенных внутри разрядной камеры таким образом, что между упомянутыми электродами имеется межэлектродное пространство, впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос, блок очистки. The known device includes a discharge chamber, two coaxial high-voltage electrodes electrically isolated from each other, placed inside the discharge chamber in such a way that there is an interelectrode space between said electrodes, an inlet channel and at least one outlet channel, a gas filter, an air pump, a purification unit.
В известном устройстве исходный газ, очищенный от механических примесей в газовом фильтре посредством насоса подается через теплообменник, термостатированный нагреватель и впускной канал в межэлектродное пространство разрядной камеры. При этом на упомянутые электроды подают высоковольтное переменное или импульсное знакопеременное напряжение с частотой выше 1 кГц и амплитудой, достаточной для электрического пробоя газового межэлектродного пространства. Наличие слоя диэлектрика (барьера) на внешнем электроде со стороны межэлектродного пространства обеспечивает пробой упомянутого пространства в виде последовательности групп короткоживущих (не более 100 наносекунд) микроразрядов, называемой барьерным разрядом [см. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во МГУ. 1989. 176 с.]. В БР средняя энергия электронов составляет порядка 3,5 эВ (Тэлгаз>1) происходит эффективное образование О- атомов в результате диссоциации О2 электронным ударом. Сам же газ остается относительно холодным (порядка 100°С) и основным продуктом электросинтеза является озон (Оз). Чтобы подавить процесс образования Оз и сместить баланс реакций в сторону активной наработки NO, подаваемый в разрядную камеру газ предварительно нагревают до 800°С. Из межэлектродного пространства NO-содержащий газовый поток со значительным количеством примеси NO2 (двуокись азота) поступает через выпускные каналы в блок очистки. Далее очищенный от NO2 газовый поток проходит через теплообменник и холодильник для промежуточного и окончательного охлаждения. Охлажденная до комнатной температуры NO-содержащая газовая смесь попадает в газоанализатор и направляется потребителю. In the known device, the source gas, purified from mechanical impurities in the gas filter, is fed by means of a pump through a heat exchanger, a thermostatically controlled heater and an inlet channel into the interelectrode space of the discharge chamber. At the same time, on said electrodes supply a high-voltage alternating or pulsed alternating voltage with a frequency above 1 kHz and an amplitude sufficient for electrical breakdown of the gas interelectrode space. The presence of a dielectric layer (barrier) on the outer electrode from the side of the interelectrode space provides a breakdown of the mentioned space in the form of a sequence of groups of short-lived (no more than 100 nanoseconds) microdischarges, called a barrier discharge [see Fig. Samoilovich V.G., Gibalov V.I., Kozlov K.V. Physical chemistry of barrier discharge. M.: Publishing House of Moscow State University. 1989. 176 p.]. In a BR, the average electron energy is about 3.5 eV (T el /T gas > 1), there is an effective formation of O-atoms as a result of the dissociation of O 2 by electron impact. The gas itself remains relatively cold (about 100°C) and the main product of electrosynthesis is ozone (Oz). To suppress the formation of Oz and shift the balance of reactions towards active production of NO, the gas supplied to the discharge chamber is preheated to 800°C. From the interelectrode space, an NO-containing gas flow with a significant amount of NO 2 (nitrogen dioxide) impurity enters through the outlet channels into the purification unit. Further, the gas stream purified from NO 2 passes through a heat exchanger and a cooler for intermediate and final cooling. The NO-containing gas mixture cooled to room temperature enters the gas analyzer and is sent to the consumer.
Недостатком известного устройства является то, что один из высоковольтных электродов выполнен с диэлектрическим покрытием. Пробой газового промежутка при наличии диэлектрического барьера происходит в виде совокупности микроразрядов с характерным диаметром ~0,3 мм и плотностью тока в канале ~100 А/см2. При этом вдоль поверхности диэлектрика наблюдается резко неоднородное распределение токов. Эта неоднородность вызывает локальный перегрев, сильный градиент температур и механические напряжения, что ведет к снижению прочности диэлектрического барьера и, как следствие, уменьшает надежность. The disadvantage of the known device is that one of the high-voltage electrodes is made with a dielectric coating. The breakdown of the gas gap in the presence of a dielectric barrier occurs in the form of a set of microdischarges with a characteristic diameter of ~0.3 mm and a current density in the channel of ~100 A/cm 2 . In this case, along the surface of the dielectric, a sharply inhomogeneous distribution of currents. This inhomogeneity causes local overheating, a strong temperature gradient and mechanical stress, which leads to a decrease in the strength of the dielectric barrier and, as a result, reduces reliability.
Другой недостаток известного устройства связан с тем, что при низких температурах большую роль играет реакция окисления NO+O3— >NO2+O2, вследствие чего, из-за значительного количества озона, концентрация NO в БР не может достигать заметной величины. И только при температуре газа порядка 800°С концентрация О3 падает настолько, что создаются благоприятные условия для реакции N+O2— >N0+0, обеспечивающую требуемую концентрацию NO. В результате известное устройство дополнительно содержит нагреватель исходной смеси, теплообменник и холодильник, уменьшающий температуру NO-содержащего газа до комнатной, что является недостатком, так как они усложняют конструкцию и снижают надежность устройства. Another drawback of the known device is related to the fact that at low temperatures the oxidation reaction NO + O 3 —>NO 2 +O 2 plays an important role, as a result of which, due to a significant amount of ozone, the concentration of NO in the BR cannot reach a noticeable value. And only at a gas temperature of about 800 ° C, the concentration of O 3 drops so much that favorable conditions are created for the reaction N + O 2 - > N0 + 0, which provides the required concentration of NO. As a result, the known device additionally contains an initial mixture heater, a heat exchanger and a refrigerator, which reduces the temperature of the NO-containing gas to room temperature, which is a disadvantage, since they complicate the design and reduce the reliability of the device.
С технологической точки зрения для получения окиси азота привлекательны искровые разряды при давлении газа порядка атмосферного. По сравнению с БР в искровых разрядах, из-за более низкой средней энергии электронов (1-2 эВ), вполне эффективен механизм синтеза NO через колебательно-возбужденные состояния молекул азота N2*, протекающий при низких температурах исходного газа (100-200°С). В частности, в разряде, возбуждаемым высоковольтными импульсами длительностью Тимп = 1 - 10 мкс, можно добиться, чтобы средняя энергия электронов находилась в максимуме сечения колебательного возбуждения молекул азота N2, а удельный энерговклад превышал пороговое значение W = 1 Вт/см3. В этих условиях превалируют элементарные реакции с участием атомов кислорода и колебательно-возбужденных молекул азота поскольку основная энергия быстро заселяемых колебательных уровней N2 направляется на реакцию синтеза окиси азота, а не на разогрев газа. В результате увеличивается максимально достижимая концентрация NO [см. под ред. Смирнова Б.М. Химия плазмы: Сб. статей. Вып. 5. М.: Атомиздат. 1978. С. 328]. From a technological point of view, spark discharges at a gas pressure of the order of atmospheric are attractive for obtaining nitric oxide. Compared to BR in spark discharges, due to the lower average electron energy (1-2 eV), the mechanism of NO synthesis through the vibrationally excited states of nitrogen molecules N 2 *, which occurs at low temperatures of the source gas (100-200 ° WITH). In particular, in a discharge excited by high-voltage pulses with a duration of T imp = 1–10 μs, it is possible to achieve that the average electron energy is at the maximum of the vibrational excitation cross section of nitrogen molecules N 2 , and the specific energy input exceeds the threshold value W = 1 W/cm 3 . Under these conditions, elementary reactions with the participation of oxygen atoms and vibrationally excited nitrogen molecules prevail. since the main energy of rapidly populated N 2 vibrational levels is directed to the nitric oxide synthesis reaction, and not to heating the gas. As a result, the maximum achievable NO concentration increases [cf. ed. Smirnova B.M. Plasma Chemistry: Sat. articles. Issue. 5. M.: Atomizdat. 1978. S. 328].
Известен генератор окиси азота из воздуха автора W.M. Zapol по описанию к патенту США [US 5396882, А 61 М 11/00, опубл. 14.03.1995 г.]. Известное устройство содержит разрядную камеру, включающую два стержневых высоковольтных электрода, размещенных противоположно с образованием межэлектродного пространства, впускной и выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос, блок очистки, причем вход упомянутого насоса соединен с газовым фильтром, выход упомянутого насоса соединен с впускным каналом разрядной камеры, а вход упомянутого блока очистки соединен с выпускным каналом разрядной камеры. Known generator of nitric oxide from the air by the author W.M. Zapol according to the description of the US patent [US 5396882, A 61 M 11/00, publ. March 14, 1995]. The known device contains a discharge chamber, including two high-voltage rod electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump, a cleaning unit, wherein the inlet of said pump is connected to the gas filter, the outlet of said pump is connected to the inlet channel of the discharge chamber, and the input of the said cleaning unit is connected to the discharge channel of the discharge chamber.
В известном устройстве очищенный в фильтре исходный газ (воздух) подается насосом через впускной канал в разрядную камеру, включающую межэлектродное пространство. Под действием переменного напряжения промышленной частоты (50-60 Гц) между высоковольтными электродами образуется искровой разряд, в плазме которого синтезируются окись азота и некоторое количество других газов (озон, двуокись азота и др.). Для удаления нежелательных примесей газовая смесь выводится через выпускной канал в блок очистки. Очищенная NO-содержащая газовая смесь подается к потребителю. In the known device, the source gas (air) purified in the filter is pumped through the inlet channel into the discharge chamber, which includes the interelectrode space. Under the action of an alternating voltage of industrial frequency (50-60 Hz), a spark discharge is formed between high-voltage electrodes, in the plasma of which nitric oxide and a certain amount of other gases (ozone, nitrogen dioxide, etc.) are synthesized. To remove unwanted impurities, the gas mixture is discharged through the outlet channel to the purification unit. The purified NO-containing gas mixture is supplied to the consumer.
В известном устройстве разряд возникает периодически (дважды за период промышленной частоты), причем его появление связано с достижением на упомянутых электродах напряжения пробоя межэлектродного пространства, а погасание соответствует моменту, когда напряжение становится меньше напряжения горения разряда. In a known device, the discharge occurs periodically (twice during the period of industrial frequency), and its appearance is associated with the achievement of a breakdown voltage on the mentioned electrodes interelectrode space, and extinction corresponds to the moment when the voltage becomes less than the discharge burning voltage.
Из-за низкой частоты (50-60 Гц) питающей электросети пороговый удельный энерговклад (W/v>l Дж/см3, где где W - энерговклад в импульсе, v - объемная скорость газового потока) в известном устройстве можно обеспечить, если каждый отдельный цуг обладает большим количеством энергии. Это является недостатком, так как приводит к чрезмерному тепловыделению вблизи поверхности электродов и сильной эрозии, что снижает надежность. Due to the low frequency (50-60 Hz) of the power supply network, the threshold specific energy input (W/v>l J/cm 3 , where W is the energy input in the pulse, v is the gas flow volumetric velocity) in a known device can be provided if each a single train has a large amount of energy. This is disadvantageous because it leads to excessive heat generation near the electrode surface and severe erosion, which reduces reliability.
Другим недостатком, снижающим надежность, является исполнение электродной системы в виде осесимметричной стержневой конструкции с поперечной продувкой, поскольку в этом случае имеет место привязка искровых каналов к острым кромкам электродов, локальный перегрев и эрозия. Another disadvantage that reduces reliability is the execution of the electrode system in the form of an axisymmetric rod structure with transverse blowing, since in this case there is a binding of spark channels to the sharp edges of the electrodes, local overheating and erosion.
Следующий недостаток известного устройства - высокая нестабильность питания разряда. Это происходит вследствие того, что на межэлектродное пространство подается медленно нарастающее напряжение, и момент электрического пробоя имеет большой временной разброс. Так, что значительно меняющееся от импульса к импульсу величина напряжения пробоя межэлектродного пространства влечет колебания электрических параметров цуга (средний ток, энергия и т. д.). В частности, при слишком низких значениях напряжения пробоя величина удельного энерговлада может быть ниже пороговой величины 1 Дж/см3, что кратковременно нарушает указанный выше механизм синтеза окиси азота. При этом неизрасходованные атомы кислорода участвуют, в основном, в конкурирующей реакции синтеза озона. Деструкция этого нежелательного газа требует дополнительного оборудования, что снижает надежность. Известен генератор окиси азота из воздуха автора Шу Сяо по описанию к патенту Китая [CN 201010523 (Y), С 01 В 21/24, опубл. 23.01.2008 г.] Известное устройство содержит разрядную камеру, включающую по меньшей мере два высоковольтных электрода, размещенных противоположно с образованием межэлектродного пространства, впускной и выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос и дополнительно генератор импульсов напряжения, подключенный к высоковольтным электродам. The next disadvantage of the known device is the high instability of the discharge supply. This is due to the fact that a slowly increasing voltage is applied to the interelectrode space, and the moment of electrical breakdown has a large time spread. So, the magnitude of the breakdown voltage of the interelectrode space, which varies significantly from pulse to pulse, entails fluctuations in the electrical parameters of the train (average current, energy, etc.). In particular, at too low values of the breakdown voltage, the value of the specific energy content can be below the threshold value of 1 J/cm 3 , which briefly disrupts the above mechanism of nitric oxide synthesis. In this case, unspent oxygen atoms participate mainly in the competing reaction of ozone synthesis. The destruction of this unwanted gas requires additional equipment, which reduces reliability. Known generator of nitric oxide from the air of the author Shu Xiao according to the description of the Chinese patent [CN 201010523 (Y), C 01 21/24, publ. 01/23/2008] The known device contains a discharge chamber, including at least two high-voltage electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump and an additional voltage pulse generator connected to the high-voltage electrodes.
В известном устройстве очищенный в фильтре воздух подается насосом через впускной канал в разрядную камеру, включающую межэлектродное пространство. Под действием высокочастотного переменного напряжения генератора резонансного типа между высоковольтными электродами образуется непрерывный электрический разряд, в плазме которого синтезируются окись азота. Выходящая из выпускного канала NO-содержащая газовая смесь подается в медицинскую, технологическую или биологическую систему. In the known device, the air purified in the filter is pumped through the inlet channel into the discharge chamber, which includes the interelectrode space. Under the action of a high-frequency alternating voltage of a resonant-type generator, a continuous electric discharge is formed between the high-voltage electrodes, in the plasma of which nitric oxide is synthesized. The NO-containing gas mixture leaving the outlet channel is fed into a medical, technological or biological system.
В известном устройстве проблему эрозии высоковольтных электродов пытались решить за счет возможности регулирования частоты и величины протекающих через разряд переменного тока, обеспечивающих, с одной стороны, необходимое количество молекул окиси азота и, с другой стороны, приемлемый уровень эрозии. In the known device, the problem of erosion of high-voltage electrodes was tried to be solved by the possibility of controlling the frequency and magnitude of the alternating current flowing through the discharge, providing, on the one hand, the required number of nitric oxide molecules and, on the other hand, an acceptable level of erosion.
Недостаток такого подхода заключается в том, что существует узкий диапазон указанных выше параметров, которые позволяют формировать разряд с необходимым энерговкладом и непрерывно его поддерживать. Причем в случае низких расходов газа малые концентрации NO в известном устройстве получали за счет отвода из газового тракта большей части произведенного оксида азота с помощью дополнительного устройства, связанного с безопасным удалением NO- содержащего потока и его утилизации, что снижает надежность. Известен генератор окиси азота из воздуха автора F.J. Montgomery и др. по описанию к патенту США [US 9573110 В2, С 01 В 21/24, опубл. 21.02.2017 г.] Известное устройство содержит разрядную камеру, включающую по меньшей мере два стержневых высоковольтных электрода, размещенных противоположно с образованием межэлектродного пространства, впускной и выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос и генератор импульсов напряжения, подключенный к высоковольтным электродам. The disadvantage of this approach is that there is a narrow range of the above parameters that allow you to form a discharge with the required energy input and continuously maintain it. Moreover, in the case of low gas flow rates, low concentrations of NO in the known device were obtained by removing most of the produced nitrogen oxide from the gas path using an additional device associated with the safe removal of the NO-containing stream and its utilization, which reduces reliability. Known generator of nitric oxide from the air author FJ Montgomery and others according to the description of the US patent [US 9573110 B2, C 01 21/24, publ. 02/21/2017] The known device contains a discharge chamber, including at least two high-voltage rod electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump and a voltage pulse generator connected to the high-voltage electrodes.
В известном устройстве генератор импульсов напряжения работает в широтно-импульсном режиме (PWM) с кратковременным повышением напряжения на высоковольтных электродах в начале каждого импульса. Пиковые значение напряжения и тока достаточны для электрического пробоя воздушного межэлектродного пространства и возбуждения искрового разряда, в плазме которого стартуют физико- химические реакции образования окиси азота. Необходимое количество окиси азота устанавливают за счет возможности регулирования продолжительности импульса при сравнительно низких значениях напряжения и тока, что снижает износ высоковольтных электродов. Для обеспечения указанного алгоритма получения окиси азота, в известном устройстве используются две схемы питания, включаемые последовательно электронными ключами. При этом, из-за переходных процессов в высоковольтной цепи суммирования ключи подвержены разрушительному воздействию кратковременных перенапряжений. Этот фактор является недостатком, снижающим надежность. In the known device, the voltage pulse generator operates in pulse-width mode (PWM) with a short-term increase in voltage at high-voltage electrodes at the beginning of each pulse. The peak values of voltage and current are sufficient for electrical breakdown of the air interelectrode space and excitation of a spark discharge, in the plasma of which the physicochemical reactions of nitric oxide formation start. The required amount of nitric oxide is set due to the possibility of regulating the pulse duration at relatively low voltage and current values, which reduces the wear of high-voltage electrodes. To provide the specified algorithm for obtaining nitric oxide, the known device uses two power circuits, connected in series by electronic keys. At the same time, due to transient processes in the high-voltage summation circuit, the switches are subject to the destructive effects of short-term overvoltages. This factor is a disadvantage that reduces reliability.
В известном устройстве в зависимости от требуемой величины концентрации окиси азота длительность электрического разряда изменяют в широких пределах 0,1 - 10 мс. Однако, в условиях большой длительности разряда, даже при малых разрядных токах (менее 0, 1 А), значительно поднимается температура газа в области соприкосновения плазмы с поверхности электродов, что снижает надежность вследствие их тепловой эрозии. In a known device, depending on the required value of the concentration of nitric oxide, the duration of the electric discharge is varied over a wide range of 0.1 - 10 ms. However, under conditions of a long discharge duration, even at low discharge currents (less than 0.1 A), the gas temperature in the contact area rises significantly. plasma from the surface of the electrodes, which reduces the reliability due to their thermal erosion.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является устройство для получения окиси азота из воздуха авторов С.Н. Буранов, В. И. Карелин, В.Д. Селемир, А. С. Ширшин по описанию к патенту России [RU 2553290 Cl, С 01 В 21/24, С 01 В 21/32 опубл. 10.06.2015 г.], в котором раскрыт альтернативный подход к предотвращению износа высоковольтных электродов из-за высокоэнергетических дуговых (искровых) разрядов. The closest technical solution to the claimed invention is a device for obtaining nitric oxide from the air of the authors S.N. Buranov, V.I. Karelin, V.D. Selemir, A. S. Shirshin according to the description of the Russian patent [RU 2553290 Cl, C 01 B 21/24, C 01 B 21/32 publ. 06/10/2015], which discloses an alternative approach to preventing wear of high-voltage electrodes due to high-energy arc (spark) discharges.
Известное устройство для получения окиси азота, включает цилиндрическую разрядную камеру, газовый фильтр, насос, блок очистки, высоковольтный генератор импульсов напряжения с регулируемой частотой следования импульсов, камера содержит два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода с межэлектродным пространством между ними, впускной и выпускной каналы, первый высоковольтный электрод выполнен в виде диска с центральным отверстием для впускного канала, установлен поперечно оси разрядной камеры, второй высоковольтный электрод установлен вдоль оси разрядной камеры, а высоковольтный генератор импульсов подключен к высоковольтным электродам. A known device for producing nitric oxide, includes a cylindrical discharge chamber, a gas filter, a pump, a cleaning unit, a high-voltage voltage pulse generator with an adjustable pulse repetition rate, the chamber contains two electrically isolated high-voltage electrodes with an interelectrode space between them, an inlet and an outlet channel , the first high-voltage electrode is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel, is installed transversely to the axis of the discharge chamber, the second high-voltage electrode is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator is connected to the high-voltage electrodes.
Авторами для электросинтеза окиси азота использовались периодические импульсы микросекундной длительности с регулируемой частотой следования f, которые возбуждали искровой разряд в воздушном потоке между дисковым электродом и полукольцевым проволочным электродом, при этом воздух вводился в разрядную камеру вдоль ее центральной оси через отверстие в дисковом электроде. For the electrosynthesis of nitric oxide, the authors used periodic microsecond pulses with an adjustable repetition rate f, which excited a spark discharge in the air flow between the disk electrode and the semicircular wire electrode, while air was introduced into the discharge chamber along its central axis through a hole in the disk electrode.
Основанием такого выбора явилось то, что в вышеуказанных условиях возможны устойчивые комбинации параметров импульсно- периодического разряда (напряжение, ток, диаметр канала разряда) и скорости газового потока через центральное отверстие в электроде, обеспечивающие в широком диапазоне f условие W/v>l Дж/см3, определяющее эффективное образования NO в реакции O+N2*— NO+N с участием колебательно-возбужденных молекул азота N2*. При этом, скорость реакции синтеза озона, конкурирующей с ней была значительно меньше, так что наличие Оз в выходном потоке фактически не наблюдалось, что повысило надежность (озон как сильный окислитель во многих применениях - нежелательная примесь). Кроме того, с одной стороны, удалось не допустить сжатия (контракции) канала разряда и, с другой стороны, обеспечили активное перемещение его ярко светящейся части по поверхности электродов, что уменьшило тепловую эрозию последних и повысило надежность. The reason for this choice was that under the above conditions, stable combinations of the parameters of the pulsed periodic discharge (voltage, current, discharge channel diameter) and gas flow velocity through the central hole in the electrode, providing the condition W/v>l J/cm 3 in a wide range of f, which determines the effective formation of NO in the reaction O+N 2 *— NO +N with the participation of vibrationally excited nitrogen molecules N 2 *. At the same time, the rate of the ozone synthesis reaction competing with it was much lower, so that the presence of Oz in the output stream was not actually observed, which increased reliability (ozone as a strong oxidizing agent in many applications is an undesirable impurity). In addition, on the one hand, it was possible to prevent compression (contraction) of the discharge channel and, on the other hand, ensured the active movement of its brightly luminous part over the surface of the electrodes, which reduced thermal erosion of the latter and increased reliability.
В известном устройстве, из-за малой длительности импульсов питания, было очень важно обеспечить стабильное время запаздывания пробоя td в пределах времени нарастания импульса напряжения на электродах (~3 мкс). В свою очередь, td состоит из суммы статистического времени tc, необходимого для образования в должной области промежутка хотя бы одного начального (стартового) электрона и времени tf, в течение которого этот электрон способен осуществить пробой. Поскольку при атмосферном давлении (р~760 торр) и межэлектродном промежутке (d~0,3 см) первое слагаемое существенно больше второго, то основное внимание уделялось уменьшению времени tc. Эта проблема решалась использованием промежутка с резко неоднородной геометрией электрического поля вблизи проволочного электрода с малым радиусом кривизны (~0,25 мм). Здесь, из-за высокой напряженности поля опережающим образом протекают ионизационные процессы, увеличивающие начальный эмиссионный ток электронов, выходящих из диэлектрических пленок, которые изначально присутствуют на поверхности проволочки, что уменьшило статистическое время запаздывания tc до приемлемого значения. In the known device, due to the short duration of the power pulses, it was very important to ensure a stable breakdown delay time t d within the rise time of the voltage pulse on the electrodes (~3 μs). In turn, t d consists of the sum of the statistical time t c required for the formation of at least one initial (starting) electron in the proper region of the gap and the time tf during which this electron is able to break down. Since at atmospheric pressure (p ~ 760 Torr) and the interelectrode gap (d ~ 0.3 cm) the first term is significantly greater than the second, the main attention was paid to reducing the time t c . This problem was solved by using a gap with a sharply inhomogeneous electric field geometry near the wire electrode with a small radius of curvature (~0.25 mm). Here, due to the high field strength, ionization processes proceed in an advanced manner, increasing the initial emission current of electrons emerging from dielectric films, which initially are present on the surface of the wire, which reduced the statistical delay time t c to an acceptable value.
Однако, под действием плазмы разряда часть пленок может испаряться, что влечет за собой увеличение интервала времени td. В случае превышения последним длительности импульсов питания неминуемо произойдет сбой в формировании запланированного разряда и, соответственно, процесса электросинтеза окиси азота. Это обстоятельство является недостатком, снижающим надежность устройства. However, under the action of the discharge plasma, some of the films can evaporate, which entails an increase in the time interval t d . If the latter exceeds the duration of the power pulses, a failure will inevitably occur in the formation of the planned discharge and, accordingly, the process of electrosynthesis of nitric oxide. This circumstance is a disadvantage that reduces the reliability of the device.
Недостатком является также конструкция одного из электродов, выполненного из нержавеющей проволоки диаметром 0,5 мм. Данный электрод не может эффективно охлаждаться посредством теплопередачи в области крепления в силу его малого сечения. Поэтому при повышении мощности разряда возникает перегрев его центральной области, что снижает надежность. The disadvantage is also the design of one of the electrodes, made of stainless wire with a diameter of 0.5 mm. This electrode cannot be effectively cooled by heat transfer in the attachment area due to its small cross section. Therefore, with an increase in the discharge power, overheating of its central region occurs, which reduces reliability.
Следующий недостаток является следствием установки воздушного насоса перед входом разрядной камеры. Случайное передавливание (уменьшение поперечного сечения) газового тракта вызывает увеличение давления в разрядной камере, переход горения разряда в режим сжатого (контрагированного) канала при практически неизменной величине тока, что повышает термическую эрозию электродов и снижает надежность. The next drawback is a consequence of the installation of an air pump in front of the discharge chamber inlet. Accidental squeezing (reducing the cross section) of the gas path causes an increase in pressure in the discharge chamber, the transition of the discharge combustion to the compressed (contracted) channel mode at a practically unchanged current value, which increases the thermal erosion of the electrodes and reduces reliability.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
При создании заявляемого изобретения решалась задача создания устройства для получения под действием импульсно-периодического разряда в потоке газа контролируемого точного количества окиси азота (концентрация NO). When creating the claimed invention, the problem of creating a device for obtaining, under the influence of a repetitively pulsed discharge in a gas stream, a controlled exact amount of nitric oxide (NO concentration) was solved.
Техническим результатом при решении данной задачи явилось повышение надежности устройства. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения окиси азота, включающим цилиндрическую разрядную камеру, газовый фильтр, насос, блок очистки, высоковольтный генератор импульсов напряжения с регулируемой частотой следования импульсов, камера содержит два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода с межэлектродным пространством между ними, впускной и выпускной каналы, первый высоковольтный электрод выполнен в виде диска с центральным отверстием для впускного канала, установлен поперечно оси разрядной камеры, второй высоковольтный электрод установлен вдоль оси разрядной камеры, а высоковольтный генератор импульсов подключен к высоковольтным электродам, новым является то, что второй высоковольтный электрод выполнен в виде сектора диска со скошенной под углом а острой кромкой и с боковым отверстием для выпускного канала, устройство снабжено источником ультрафиолетового излучения для подсветки острой кромки второго электрода, при этом спектральный диапазон ультрафиолетового излучения выбран из условия получения фотоэлектронной эмиссии < 1240/А, где А -работа выхода из материала электродов, эВ, - длина волны ультрафиолетового излучения, нм, а величина угла а выбрана из условия подсветки первого электрода УФ-излучением, отраженным от скошенной кромки второго электрода, причем выход газового фильтра соединен с впускным каналом, выпускной канал соединен с входом насоса, выход которого соединен с входом блока очистки. The technical result in solving this problem was to increase the reliability of the device. This technical result is achieved by the fact that, in comparison with the known device for producing nitric oxide, including a cylindrical discharge chamber, a gas filter, a pump, a cleaning unit, a high-voltage voltage pulse generator with an adjustable pulse repetition rate, the chamber contains two high-voltage electrodes electrically isolated from each other with an interelectrode space between them, inlet and outlet channels, the first high-voltage electrode is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel, is installed transversely to the axis of the discharge chamber, the second high-voltage electrode is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator is connected to high-voltage electrodes, new is that the second high-voltage electrode is made in the form of a disc sector with a sharp edge beveled at an angle and with a side hole for the outlet channel, the device is equipped with a source of ultraviolet radiation to illuminate the sharp edge of the second electrode, while the spectral range of ultraviolet radiation is selected from the condition for obtaining photoelectronic emission < 1240/A, where A is the work function of the electrode material, eV, is the wavelength of ultraviolet radiation, nm, and the angle a is selected from the condition of illuminating the first electrode with UV radiation reflected from the beveled edge of the second electrode, and the output of the gas filter connected to the inlet channel, the outlet channel is connected to the inlet of the pump, the outlet of which is connected to the inlet of the cleaning unit.
Также источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе ультрафиолетового светодиода. Also, the source of ultraviolet radiation is made on the basis of an ultraviolet LED.
Также источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе газоразрядной кварцевой лампы. Также источник ультрафиолетового излучения позволяет формировать коллимированный пучок. Also, the source of ultraviolet radiation is made on the basis of a gas-discharge quartz lamp. Also, the source of ultraviolet radiation makes it possible to form a collimated beam.
Также источник ультрафиолетового излучения позволяет формировать сходящийся пучок, фокус которого находится на пересечении оси разрядной камеры с краем острой кромки. Also, the source of ultraviolet radiation makes it possible to form a converging beam, the focus of which is at the intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of a sharp edge.
В заявляемом устройстве используется источник ультрафиолетового излучения для прямой подсветки второго электрода и подсветки первого электрода светом, отраженным от скошенной под соответствующим углом поверхности второго электрода. При этом фотоны обладают энергией выше работы выхода (А) из материала электродов (условие Х < 1240/А), что вызывает однофотонный фотоэффект. По сравнению с эмиссионным механизмом поставки электронов из пленок в приэлектродные области, фотоэффект производит электроны более стабильно и в большем количестве. Фотоэлектроны накапливаются около электродов заблаговременно с малым временем tc, еще вначале фронта высоковольтного импульса. Здесь к моменту максимальной скорости нарастания напряжения значительный фотоэлектронный ток, усиленный электронными лавинами, образует перекрывающий промежуток плазменный канал с высокой проводимостью. Время формирования высоко проводящего канала (пробоя) tf при атмосферном давлении составляет не более 0,1 мксек [Месяц Г.А, Успехи физических наук, октябрь 2006, Том 176, №10, стр. 1069 - 1091]. Поэтому время запаздывания пробоя td не превышает длительность фронта в любом из высоковольтных импульсов в серии, начиная с первого, что влечет за собой стабилизацию величины среднего тока, вложенную за время импульса энергию (Р) и удельный энерговклад W/v=P*f/v. В результате под действием серии импульсов напряжения в широком диапазоне f обеспечивается условие W/v>l Дж/см3, определяющее эффективное образования NO в реакции O+N2*— »NO+N с участием колебательновозбужденных молекул азота N2*, что повышает надежность. The claimed device uses a source of ultraviolet radiation for direct illumination of the second electrode and illumination of the first electrode by light reflected from the surface of the second electrode beveled at an appropriate angle. In this case, photons have an energy higher than the work function (A) from the electrode material (condition X < 1240/A), which causes a single-photon photoelectric effect. Compared to the emission mechanism of supplying electrons from films to near-electrode regions, the photoelectric effect produces electrons more stably and in larger quantities. Photoelectrons are accumulated near the electrodes in advance with a short time t c , even at the beginning of the high-voltage pulse front. Here, by the time of the maximum voltage rise rate, a significant photoelectron current, amplified by electron avalanches, forms a high-conductivity plasma channel that bridges the gap. The formation time of a highly conductive channel (breakdown) tf at atmospheric pressure is no more than 0.1 μs [Mesyats G.A., Uspekhi fizicheskikh nauk, October 2006, Volume 176, No. 10, pp. 1069 - 1091]. Therefore, the breakdown delay time t d does not exceed the rise time in any of the high-voltage pulses in the series, starting from the first, which entails the stabilization of the average current, the energy (P) invested during the pulse, and the specific energy input W/v=P*f/ v. As a result, under the action of a series of voltage pulses in a wide range of f, the condition W/v>l J/cm 3 is ensured, which determines the effective formation of NO in the reaction O + N 2 * - »NO + N with the participation of vibrationally excited nitrogen molecules N 2 *, which increases reliability.
В микросекундных разрядах атмосферного давления (р~760 торр) при коротких промежутках (d~0,3 см) реализуется известный таунсендовский механизм формирования достаточно широкого плазменного канала с умеренным энерговыделением в области примыкания последнего к поверхности электродов. Воздушный насос установлен после выхода разрядной камеры в результате чего обеспечивает прохождение газовой смеси через межэлектродный промежуток при давлении не выше атмосферного, причем в широком диапазоне изменений сопротивления газового тракта на выходе устройства. При указанном давлении, в импульсно-периодическом разряде микросекундной длительности не успевают развиться неустойчивости, приводящие к существенному сужению (контракции) плазменного канала, увеличению удельного энерговыделения и тепловой эрозии электродов, что повышает надежность. In microsecond discharges of atmospheric pressure (р~760 Torr) at short intervals (d~0.3 cm), the well-known Townsend mechanism of formation of a sufficiently wide plasma channel with moderate energy release in the region of its adjunction to the electrode surface is realized. The air pump is installed after the outlet of the discharge chamber, as a result of which it ensures the passage of the gas mixture through the interelectrode gap at a pressure not higher than atmospheric, and in a wide range of changes in the resistance of the gas path at the outlet of the device. At the specified pressure, instabilities do not have time to develop in a repetitively pulsed discharge of microsecond duration, leading to a significant narrowing (contraction) of the plasma channel, an increase in the specific energy release and thermal erosion of the electrodes, which increases reliability.
Конструкция второго электрода, выполненного в виде сектора диска с встроенным выпускным каналом, позволяет его интенсивно охлаждать посредством теплопередачи в области крепления в силу его большего сечения и потоком газа, пропускаемым через выпускной канал. Поэтому при повышении мощности разряда имеет место эффективный отвод тепла от его центральной области, что увеличивает надежность. The design of the second electrode, made in the form of a disk sector with a built-in outlet channel, allows it to be intensively cooled by heat transfer in the attachment area due to its larger cross section and the gas flow passed through the outlet channel. Therefore, with an increase in the discharge power, efficient heat removal from its central region takes place, which increases reliability.
УФ-излучение вводится со стороны боковой стенки разрядной камеры и обеспечивает размещение источника света на достаточном большом расстоянии от высоковольтных электродов, что защищает источник от электрического пробоя и повышает надежность. UV radiation is introduced from the side wall of the discharge chamber and ensures that the light source is located at a sufficiently large distance from high-voltage electrodes, which protects the source from electrical breakdown and increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен на основе импульсной газоразрядной лампы, дающей вспышки излучения очень высокой яркости при миллисекундных длительностях. Это увеличивает величину эмиссионного тока фотоэлектронов в области около электродов и обеспечивает пробой межэлектродного промежутка на фронте импульсов напряжения микросекундных длительностей, что повышает надежность. In addition, the source of ultraviolet radiation can be made on the basis of a pulsed discharge lamp, giving bursts of radiation of very high brightness at millisecond durations. This increases the magnitude of the emission current of photoelectrons in the region near the electrodes and provides a breakdown of the interelectrode gap at the front of microsecond voltage pulses, which increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен на основе ультрафиолетового светодиода, имеющим низкое значение напряжения питания (< 8 В), большой срок службы (~ 20 тыс. часов), практически мгновенную готовность к работе, что повышает надежность. In addition, the UV source can be made on the basis of an UV LED, which has a low supply voltage (< 8 V), a long service life (~ 20 thousand hours), and almost instant readiness for operation, which increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен с формированием коллимированного пучка, диаметр которого согласован с размерами межэлектродного промежутка. Теперь длина промежутка не является критическим параметром, определяющим эффективность пробоя, что повышает надежность. In addition, the source of ultraviolet radiation can be made with the formation of a collimated beam, the diameter of which is matched to the size of the interelectrode gap. Now the gap length is not a critical parameter that determines the breakdown efficiency, which increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен с фокусированием пучка в область пересечения оси разрядной камеры с краем острой кромки второго электрода. Увеличение электрического заряда фотоэлектронов в области с максимальной напряженностью электрического поля уменьшает временной разброс задержки времени пробоя, что повышает надежность. In addition, the source of ultraviolet radiation can be made with beam focusing in the area of intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of the sharp edge of the second electrode. An increase in the electric charge of photoelectrons in the region with the maximum electric field strength reduces the time spread of the breakdown time delay, which improves reliability.
Краткое описание чертежей Brief description of the drawings
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства для получения окиси азота, где: Figure 1 shows a block diagram of the proposed device for producing nitric oxide, where:
1 - разрядная камера, 2 - межэлектродное пространство, 3 - первый высоковольтный электрод, 4 - впускной канал, 5 - второй высоковольтный электрод, 6 - выпускной канал, 7 - газовый фильтр, 8 - воздушный насос, 9 - блок очистки, 10 - высоковольтный генератор импульсов напряжения, И - источник ультрафиолетового (УФ) излучения, 12 - пучок. 1 - discharge chamber, 2 - interelectrode space, 3 - first high-voltage electrode, 4 - inlet channel, 5 - second high-voltage electrode, 6 - outlet channel, 7 - gas filter, 8 - air pump, 9 - purification unit, 10 - high-voltage generator voltage pulses, I - source of ultraviolet (UV) radiation, 12 - beam.
На фиг.2 представлена структурная схема заявляемого устройства для получения окиси азота в примере наилучшего осуществления, где: Figure 2 shows a block diagram of the proposed device for producing nitric oxide in the example of the best implementation, where:
1 - разрядная камера, 2 - межэлектродное пространство, 3 - первый высоковольтный электрод, 4 - впускной канал, 5 - второй высоковольтный электрод, 6 - выпускной канал, 7 - газовый фильтр, 8 - насос, 9 - блок очистки, 10 - высоковольтный генератор импульсов напряжения, 11 - источник ультрафиолетового (УФ) излучения (ультрафиолетовый диод), 12 - пучок, 13 - дыхательный (терапевтический) контур, 14 - блок мониторинга NO и NO2, 15 - нейтрализатор. 1 - discharge chamber, 2 - interelectrode space, 3 - first high-voltage electrode, 4 - inlet channel, 5 - second high-voltage electrode, 6 - outlet channel, 7 - gas filter, 8 - pump, 9 - purification unit, 10 - high-voltage generator voltage pulses, 11 - ultraviolet (UV) radiation source (ultraviolet diode), 12 - beam, 13 - respiratory (therapeutic) circuit, 14 - NO and NO 2 monitoring unit, 15 - neutralizer.
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные газовый фильтр 7, разрядную камеру 1, насос 8, блок очистки 9, высоковольтный генератор 10 импульсов напряжения с регулируемой частотой следования f. При этом разрядная камера 1 содержит два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода 3, 5 с межэлектродным пространством 2 между ними, впускной 4 и выпускной 6 каналы, первый высоковольтный электрод 3 выполнен в виде диска с центральным отверстием для впускного 4 канала, установлен перпендикулярно оси разрядной камеры, второй высоковольтный электрод 5 установлен вдоль оси разрядной камеры, а высоковольтный генератор импульсов 10 подключен к высоковольтным электродам 3,5. The claimed device comprises a gas filter 7 connected in series, a discharge chamber 1, a pump 8, a cleaning unit 9, a high-voltage generator 10 of voltage pulses with an adjustable repetition rate f. In this case, the discharge chamber 1 contains two high-voltage electrodes 3, 5 electrically isolated from each other with an interelectrode space 2 between them, inlet 4 and outlet 6 channels, the first high-voltage electrode 3 is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel 4, installed perpendicular to the axis discharge chamber, the second high-voltage electrode 5 is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator 10 is connected to the high-voltage electrodes 3.5.
Кроме того, в заявляемом устройстве второй высоковольтный электрод 5 выполнен в виде сектора диска толщиной 3-5 мм с боковым отверстием для выпускного канала 6 и со скошенной под углом а ~ 45 °± 5° острой кромкой, в направлении которой направлен пучок 12 ультрафиолетового излучения источника 11 , установленным поперечно оси разрядной камеры. Причем спектральный диапазон ультрафиолетового излучения выбирается из условия получения фотоэлектронной эмиссии X < 1240/А, где А - работа выхода из материала электродов, эВ, X - длина волны ультрафиолетового излучения, нм. Величина угла а выбрана из условия подсветки первого электрода УФ-излучением, отраженным от скошенной кромки второго электрода. При этом выход газового фильтра 7 соединен с впускным каналом 4, выпускной канал 6 соединен с входом насоса 8, выход которого соединен с входом блока очистки 9. In addition, in the claimed device, the second high-voltage electrode 5 is made in the form of a disk sector 3-5 mm thick with a side hole for the outlet channel 6 and with a sharp edge beveled at an angle a ~ 45 ° ± 5 °, in the direction of which the beam 12 of ultraviolet radiation is directed source 11 installed transversely axis of the discharge chamber. Moreover, the spectral range of ultraviolet radiation is selected from the condition for obtaining photoelectron emission X < 1240/A, where A is the work function of the electrode material, eV, X is the wavelength of ultraviolet radiation, nm. The value of the angle a is chosen from the condition of illumination of the first electrode by UV radiation reflected from the beveled edge of the second electrode. In this case, the outlet of the gas filter 7 is connected to the inlet channel 4, the outlet channel 6 is connected to the inlet of the pump 8, the outlet of which is connected to the inlet of the purification unit 9.
Дополнительно в заявляемом устройстве источник ультрафиолетового излучения 11 может быть выполнен на основе ультрафиолетового светодиода или газоразрядной кварцевой лампы. Причем источник ультрафиолетового излучения 11 может формировать коллимированный (параллельный) пучок или сходящийся пучок, фокус которого находится на пересечении оси разрядной камеры с краем острой кромки. Additionally, in the claimed device, the source of ultraviolet radiation 11 can be made on the basis of an ultraviolet LED or a gas-discharge quartz lamp. Moreover, the source of ultraviolet radiation 11 can form a collimated (parallel) beam or a converging beam, the focus of which is at the intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of a sharp edge.
Разрядная камера 1, выполненная из полиамида с внутренним диаметром 18 мм включает два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода 3, 5, изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Первый из упомянутых электродов 3 выполнен в виде диска. Второй из упомянутых электродов 5 выполнен в виде сектора, вырезанного из диска толщиной 3 мм (угол при вершине - 30°). The discharge chamber 1, made of polyamide with an inner diameter of 18 mm, includes two high-voltage electrodes 3, 5, electrically isolated from each other, made of stainless steel 12X18H10T. The first of the mentioned electrodes 3 is made in the form of a disk. The second of the mentioned electrodes 5 is made in the form of a sector cut out of a disk 3 mm thick (the angle at the top is 30°).
В центре дискового электрода 3 имеется отверстие диаметром 1,5 мм для впускного канала 4. Ближе к основанию секторного электрода 5 имеется боковое отверстие диаметром 1,5 мм для выпускного канала 6. Длина межэлектродного пространства 2 между электродами 3 и 5 составляет 3 мм. Кромка секторного электрода 5 скошена под углом а = 45° и является острой с радиусом не более 0,1 мм. Напротив скошенной кромки в корпусе разрядной камеры 1 выполнено отверстие для ввода пучка 12 ультрафиолетового излучения источника И. Угол ввода между оптической осью пучка 12 и осью симметрии разрядной камеры составляет 90°. Длина волны излучения источника удовлетворяет условию прямой (однофотонной) фотоэлектронной эмиссии из нержавеющей стали < 288 нм (А = 4,31 эВ, см. Фоменко В. С. Эмиссионные свойства материалов: Справочник. Издание 3. Киев.: Наукова думка. 1970. С. 20). Разрядная камера предназначена для электросинтеза окиси азота в потоке проходящего через пространство 2 воздуха под действием высоковольтных импульсов, подаваемых на упомянутые электроды 3 и 5 с контролем искрообразования ультрафиолетовым излучением. In the center of the disk electrode 3 there is a hole with a diameter of 1.5 mm for the inlet channel 4. Closer to the base of the sector electrode 5 there is a side hole with a diameter of 1.5 mm for the outlet channel 6. The length of the interelectrode space 2 between electrodes 3 and 5 is 3 mm. The edge of the sector electrode 5 is beveled at an angle a = 45° and is sharp with a radius of not more than 0.1 mm. Opposite the beveled edge in the body of the discharge chamber 1 a hole is made for the input of the beam 12 of ultraviolet radiation of the source I. The input angle between the optical axis of the beam 12 and the axis of symmetry of the discharge chamber is 90°. The radiation wavelength of the source satisfies the condition of direct (single-photon) photoelectron emission from stainless steel < 288 nm (A = 4.31 eV, see Fomenko V. S. Emission properties of materials: Handbook. Edition 3. Kiev.: Naukova Dumka. 1970. S. 20). The discharge chamber is intended for the electrosynthesis of nitric oxide in the flow of air passing through the space 2 under the action of high-voltage pulses applied to the said electrodes 3 and 5 with spark control by ultraviolet radiation.
Г азовый фильтр 7 представляет собой магистральный фильтр или микрофильтр. Может быть выполнен также в виде их последовательной модульной сборки. Магистральный фильтр предназначен для удаления из воздуха твердых частиц размером свыше 5 мкм, а также водяного и масляного конденсата. Эффективность водоотделения 99%. Принцип действия основан на эффекте слияния мелких капель в более крупные в фильтрующем элементе. Образовавшиеся крупные капли стекают на дно резервуара со встроенным устройством автоматического отвода конденсата. Микрофильтр удаляет твердые частицы размером свыше 0,3 мкм. Содержание масла на его выходе не более 1 мг/м3. Gas filter 7 is a main filter or a microfilter. It can also be made in the form of their sequential modular assembly. The main filter is designed to remove solid particles larger than 5 microns from the air, as well as water and oil condensate. Water separation efficiency 99%. The principle of operation is based on the effect of merging small drops into larger ones in the filter element. The formed large drops flow down to the bottom of the tank with a built-in automatic condensate drain. The microfilter removes solid particles larger than 0.3 microns. The oil content at its outlet is not more than 1 mg/m 3 .
В качестве воздушного насоса 8 применяется компрессор, в процессе работы, в том числе непрерывной, не вносящий масляных загрязнений в пневмомагистраль. Производительность компрессора до 1 л/мин при свободном течении газа. Детали компрессора, контактирующие с перекачиваемой средой выполнены из устойчивых к коррозии материалов: нержавеющая сталь, дюралюминий, компаунд PTFE. Компрессор предназначен для перекачки нейтральных и слабоагрессивных газов в медицинской, лабораторной и аналитической аппаратуре. As an air pump 8, a compressor is used, in the process of operation, including continuous, which does not introduce oil pollution into the pneumatic line. Compressor capacity up to 1 l/min with free gas flow. Compressor parts in contact with the pumped medium are made of corrosion-resistant materials: stainless steel, duralumin, PTFE compound. The compressor is designed for pumping neutral and low-aggressive gases in medical, laboratory and analytical equipment.
В качестве блока очистки 9 использовалась натронная известь, включающая 96% гидроксида кальция и 4% гидроксида натрия (в пересчете на сухое вещество). Блок очистки 9 предназначен для очистки выходящего из разрядной камеры 3 NO-содержащего потока от двуокиси азота. Soda lime was used as purification unit 9, including 96% calcium hydroxide and 4% sodium hydroxide (in terms of dry matter). The purification unit 9 is designed to purify the NO-containing stream leaving the discharge chamber 3 from nitrogen dioxide.
Назначением генератора высоковольтных импульсов 10 является генерация импульсов питания разрядной камеры 1 с задаваемой частотой следования f. Упомянутый высоковольтный генератор 10 вырабатывает импульсы чередующейся полярности с амплитудой до 12 кВ и длительностью до 4 мкс (на полувысоте импульса) с помощью резонансного инвертора тока, выполненного по известной мостовой схеме на IGBT-транзисторах IRG4IBC20UD со встроенными обратными диодами (см. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко Н.Н., Шевченко Н.Н Высокочастотные транзисторные преобразователи. - М: Радио и связь. - 1988. - С. 228.). The purpose of the high-voltage pulse generator 10 is to generate power pulses for the discharge chamber 1 with a given repetition rate f. The mentioned high-voltage generator 10 generates pulses of alternating polarity with an amplitude of up to 12 kV and a duration of up to 4 μs (at half-height of the pulse) using a resonant current inverter made according to a well-known bridge circuit on IGBT transistors IRG4IBC20UD with built-in reverse diodes (see Romash E.M. ., Drabovich Yu.I., Yurchenko N.N., Shevchenko N.N. High-frequency transistor converters. - M: Radio and communication. - 1988. - P. 228.).
Работает заявляемое устройство следующим образом. The claimed device works as follows.
Включают газовый насос 8. В газовом фильтре 7 производится очистка от загрязнений атмосферного воздуха. Тонкость фильтрации, эффективность отделения масла и воды соответствуют требуемому классу в зависимости от назначения установки. Безмасляный насос 8 прокачивает воздух через разрядную камеру 1 , включая межэлектродное пространство 2. При этом, из-за отрицательного перепада давления между выходным 6 и входным 4 каналом газовое давление в разрядной камере 1 немного ниже атмосферного. Практически одновременно активируют высоковольтный генератор импульсов напряжения 10 и УФ- источник 1 1 с длиной волны < 288 нм (реально, УФ-источник - чуть раньше), облучающий прямым пучком второй электрод и отраженным пучком - первый электрод. Интервал длительности УФ-излучения такой, что в него обязательно попадает несколько (3 - 5) импульсов напряжения, следующих даже с минимально возможной частотой из задаваемого диапазона регулирования f. На самом деле мощности излучения с энергией квантов более 4,31 эВ достаточно, чтобы уже в течение фронта первого же из серии импульсов создать в области электродов 3, 5 необходимое количество начальных (стартовых) фотоэлектронов, вызывающих пробой межэлектродного пространства 2. Преднамеренный выбор завышенной длительности излучения предотвращает возможность срыва электросинтеза в подаваемой серии импульсов напряжения, если все-таки в первом импульсе пробой не реализуется, что дополнительно повышает надежность. The gas pump 8 is turned on. In the gas filter 7, air pollution is removed. Filtration fineness, oil and water separation efficiency correspond to the required class, depending on the purpose of the installation. An oil-free pump 8 pumps air through the discharge chamber 1, including the interelectrode space 2. At the same time, due to the negative pressure drop between the outlet 6 and the inlet 4 channel, the gas pressure in the discharge chamber 1 is slightly lower than atmospheric. Almost simultaneously, a high-voltage voltage pulse generator 10 and a UV source 1 1 with a wavelength < 288 nm are activated (actually, the UV source is a little earlier), irradiating the second electrode with a direct beam and reflected beam - the first electrode. The duration interval of UV radiation is such that several (3 - 5) voltage pulses fall into it without fail, following even with the lowest possible frequency from the specified regulation range f. In fact, the radiation power with a photon energy of more than 4.31 eV is sufficient to create the required number of initial (starting) photoelectrons in the region of electrodes 3, 5 already during the front of the first of the series of pulses, causing a breakdown of the interelectrode space 2. The deliberate choice of an overestimated duration radiation prevents the possibility of disruption of electrosynthesis in the supplied series of voltage pulses, if, nevertheless, the breakdown does not occur in the first pulse, which further increases reliability.
Генератор высоковольтных импульсов 10 в процессе образования искровых разрядов осуществляет резонансную передачу энергии. По достижении на электродах 3, 5 пробойного напряжения и зажигания искрового разряда высоковольтный генератор производит вложение энергии в плазму разряда. В начальной стадии пробоя, из-за высокой напряженности электрического поля происходит диссоциация кислорода и перевод молекул азота в возбужденное состояние, дающие начало реакциям синтеза окиси азота. Однако разряд атмосферного давления, формируемый и протекающий при высоких напряженностях поля, неустойчив - он стремится перейти в другие типы разряда. В заявляемом устройстве, для предотвращения перехода искровых разрядов в низкоэффективный по синтезу NO, зато активно испаряющий электроды дуговой режим горения, на электроды подают импульсы микросекундной длительности. Причем - чередующейся полярности, чтобы избежать излишнего накопления зарядов одного знака у каждого из электродов, добиться более однородного тепловыделения по длине искрового разряда и снизить тепловую нагрузку на электроды, что дополнительно повышает надежность. После спада величины напряжения ниже порога горения, неиспользованная в импульсе часть энергии, возвращается в высоковольтный генератор и используется в следующем цикле. The generator of high-voltage pulses 10 in the process of formation of spark discharges carries out resonant energy transfer. Upon reaching the breakdown voltage on the electrodes 3, 5 and ignition of the spark discharge, the high-voltage generator invests energy in the discharge plasma. In the initial stage of the breakdown, due to the high electric field strength, oxygen dissociation occurs and nitrogen molecules are transferred to an excited state, giving rise to nitric oxide synthesis reactions. However, the discharge of atmospheric pressure, which is formed and proceeds at high field strengths, is unstable - it tends to pass into other types of discharge. In the claimed device, to prevent the transition of spark discharges into a low-efficiency NO synthesis, but actively evaporating electrodes arc combustion mode, microsecond pulses are applied to the electrodes. And - alternating polarity, in order to avoid excessive accumulation of charges of the same sign at each of the electrodes, to achieve a more uniform heat release along the length of the spark discharge and reduce the thermal load on the electrodes, which further improves reliability. After the voltage drops below the burning threshold, the unused part of the energy in the pulse returns to the high-voltage generator and is used in the next cycle.
Частота повторения f импульсов определяет концентрацию NO в газовом потоке. Верхняя граница диапазона fMaKC составляет примерно 10 кГц и определяется характеристическим временем реакции Т=10'4 сек образования молекул NO за счет наработанных колебательновозбужденных молекул азота: fMaKC<l/T. При превышении fMaKC частотное регулирование становится малоэффективным из-за сильной нелинейности. Нижняя граница диапазона fMHH определяется параметром удельного энерговклада W/v=PMaKC*fMHH/v>l Дж/см3, требуемым для осуществления реакции электросинтеза NO в искровом разряде O+N2*~ >NO+N с участием колебательно-возбужденных молекул азота N2*. Скорость этой реакции выше скорости конкурирующей с ней реакции синтеза озона О2+О+М^О3+М, где М - любая молекула или атом. Основная часть вложенной в разряд энергии тратится на синтез NO. Поэтому поддержание удельного энерговклада выше упомянутой границы обеспечивает практическое отсутствие озона на выходе разрядной камеры, что дополнительно повышает надежность. The repetition frequency f of the pulses determines the concentration of NO in the gas stream. The upper limit of the f MaKC range is approximately 10 kHz and is determined by the characteristic reaction time T= 10'4 sec of the formation of NO molecules due to the accumulated vibrationally excited nitrogen molecules: f MaKC <l/T. When f MaKC is exceeded, frequency control becomes ineffective due to strong non-linearity. The lower limit of the f MHH range is determined by the parameter of the specific energy input W/ v =P MaKC *f MHH /v>l J/ cm excited nitrogen molecules N 2 *. The rate of this reaction is higher than the rate of the ozone synthesis reaction competing with it O 2 + O + M ^ O 3 + M, where M is any molecule or atom. The main part of the energy invested in the discharge is spent on the synthesis of NO. Therefore, maintaining the specific energy input above the above-mentioned limit ensures the virtual absence of ozone at the outlet of the discharge chamber, which additionally increases the reliability.
Таким образом, под действием импульсного напряжения в межэлектродном пространстве 2, образованном дисковым электродом 3 и секторным электродом 5 формируют искровые разряды, в плазме которых происходит синтез окиси азота и некоторого количества других окислов азота (например, диоксида азота). Исходный газ поступает в разрядную камеру 3 через впускной канал 4 в центре дискового электрода 3. NO-содержащая смесь через выпускной канал 6 в секторном электроде 5 выводят насосом 8 в блок очистки 9. Далее очищенный от ненужного диоксида азота (NO2) NO - содержащий газовый поток направляют на выход. Thus, under the action of a pulsed voltage in the interelectrode space 2 formed by disk electrode 3 and sector electrode 5, spark discharges are formed, in the plasma of which nitric oxide and a certain amount of other nitrogen oxides (for example, nitrogen dioxide) are synthesized. The source gas enters the discharge chamber 3 through the inlet channel 4 in the center of the disk electrode 3. The NO-containing mixture through the outlet channel 6 in the sector electrode 5 is removed by the pump 8 to the purification unit 9. Next purified from unnecessary nitrogen dioxide (NO2) NO - containing gas stream is sent to the outlet.
Лучший вариант осуществления Best Implementation
В настоящее время за рубежом и в России окись азота для ингаляций получают химическим синтезом на стационарных станциях. Малый срок хранения NO, сложная логистика и высокая стоимость ограничивают доступность NO-терапии. Заявляемое устройство может внести существенный вклад в решение клинических и технических задач повышения эффективности лечения и обеспечения надежности NO- производящей аппаратуры. Это будет понятно из следующего описания и приложенного к нему рисунка (Фиг.2). Currently, abroad and in Russia, nitric oxide for inhalation is obtained by chemical synthesis at stationary stations. The short shelf life of NO, complex logistics, and high cost limit the availability of NO therapy. The claimed device can make a significant contribution to solving clinical and technical problems of improving the effectiveness of treatment and ensuring the reliability of NO-producing equipment. This will be clear from the following description and the drawing attached thereto (FIG. 2).
В предлагаемом варианте исполнения выход блока очистки 9 подключен к одному из входов дыхательного (терапевтического) контура 13, к другому входу которого подключен выход аппарата ИВ Л (или любого другого источника основной дыхательной смеси), один из выходов дыхательного контура 13 соединен с пациентом, другой выход дыхательного контура 13 соединен с входом блока мониторинга 14 NO и NO2, выход которого подключен к входу нейтрализатора 15, при этом источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе ультрафиолетового диода 11 с длиной волны излучения равной X = 280 нм и коллимированным пучком 12 излучения диаметром порядка 8 мм, захватывающим всю длину промежутка 2 и ширину скошенной кромки второго электрода. In the proposed embodiment, the output of the cleaning unit 9 is connected to one of the inputs of the respiratory (therapeutic) circuit 13, to the other input of which the output of the ventilator (or any other source of the main respiratory mixture) is connected, one of the outputs of the respiratory circuit 13 is connected to the patient, the other the outlet of the respiratory circuit 13 is connected to the input of the NO and NO2 monitoring unit 14, the output of which is connected to the input of the neutralizer 15, while the source of ultraviolet radiation is made on the basis of an ultraviolet diode 11 with a radiation wavelength equal to X = 280 nm and a collimated radiation beam 12 with a diameter of about 8 mm, capturing the entire length of gap 2 and the width of the beveled edge of the second electrode.
Дыхательный контур 13 служит для получения и передачи потока лечебной NO-смеси, удовлетворяющим минутный объем дыхания пациента. Подключения к блоку очистки 9 и блоку мониторинга 14 производятся с помощью разъемных соединений типа Луер-Лок. The respiratory circuit 13 is used to receive and transfer the flow of therapeutic NO-mixture, satisfying the minute volume of the patient's breathing. Connections to the cleaning unit 9 and the monitoring unit 14 are made using detachable connections of the Luer-Lock type.
Блок мониторинга 14 предназначен для измерения массовых концентраций окиси азота, двуокиси азота, скорости газового потока и сигнализирует о появлении двуокиси и окиси азота с концентрацией выше допустимой величины. Калибровка измерительных датчиков - автоматическая. Результаты измерений выводятся на буквенноцифровой дисплей. На передней панели блока размещена клавиатура для управления мониторингом, получения дополнительной информации и задания порогов срабатывания аварийной сигнализации. The monitoring unit 14 is designed to measure the mass concentrations of nitrogen oxide, nitrogen dioxide, gas flow rate and signals the appearance of dioxide and nitrogen oxide with a concentration above the permissible value. Calibration of measuring sensors - automatic. The measurement results are displayed on an alphanumeric display. On the front panel of the unit there is a keyboard for managing monitoring, obtaining additional information and setting alarm thresholds.
Нейтрализатор 15 предназначен для очистки газовой пробы от NO и NO2 после проведения мониторинга. Нейтрализатор представляет собой двухкомпонентный адсорбционно-каталитический деструктор. Для адсорбции NO2 используется блок очистки на основе гидроксида кальция. Для нейтрализации NO применяется каталитический способ разложения. Концентрация NO и NO2 в газовой смеси на выходе из нейтрализатора не превышает ПДК по ГОСТ 12.1.005. ПДК NO2=2 мг/м3 (1,05 ppm). ПДК N0=5 мг/м3 (4,01 ppm). The neutralizer 15 is designed to clean the gas sample from NO and NO 2 after monitoring. The neutralizer is a two-component adsorption-catalytic destructor. For NO 2 adsorption, a purification unit based on calcium hydroxide is used. To neutralize NO, a catalytic decomposition method is used. The concentration of NO and NO 2 in the gas mixture at the outlet of the converter does not exceed the MPC according to GOST 12.1.005. MPC NO 2 \u003d 2 mg / m 3 (1.05 ppm). MPC N0=5 mg/m 3 (4.01 ppm).
По представленной на фиг.2 схеме, работа осуществляется следующим образом. Включают блок мониторинга 14 и аппарат ИВ Л, при вдохе создающий основной поток через дыхательный контур 13. Скорость основного потока задают в зависимости от минутного объема дыхания. Далее NO-содержащий воздух подают в дыхательный контур. В контуре окись азота смешивается с основным дыхательным потоком, который подается от аппарата ИВЛ. Перед пациентом (маской пациента) из дыхательного контура забирают пробу для анализа, который осуществляется электрохимическими датчиками NO и NO2 в блоке мониторинга 14. Влияние подачи NO-содержащего воздуха на исходный поток дыхательной смеси сведено к минимуму за счет согласования объемной скорости потока, подаваемого в дыхательный контур, и потока, забираемого на анализ. После мониторинга газовая смесь проходит очистку от нитрозных газов в нейтрализаторе 15. Следует отметить, что при проведении терапии мониторинг концентрации NO и NO2 в дыхательном контуре осуществляется в непрерывном режиме. Для предотвращения опасности перекрестного заражения на линии подачи NO и линии мониторинга NO и NO2 установлены вирусо-бактериальные гидрофобные фильтры (на фиг.2 не показаны). According to the scheme shown in figure 2, the work is carried out as follows. The monitoring unit 14 and the ventilator are turned on, which, when inhaled, creates the main flow through the respiratory circuit 13. The main flow rate is set depending on the minute volume of breathing. Next, NO-containing air is fed into the breathing circuit. In the circuit, nitric oxide is mixed with the main respiratory stream, which is supplied from the ventilator. In front of the patient (patient mask), a sample is taken from the breathing circuit for analysis, which is carried out by electrochemical NO and NO 2 sensors in monitoring unit 14. The effect of the supply of NO-containing air on the initial flow of the respiratory mixture is minimized by matching the volumetric flow rate supplied to breathing circuit, and the flow taken for analysis. After monitoring, the gas mixture is cleaned from nitrous gases in the neutralizer 15. It should be noted that during therapy, NO and NO 2 concentrations in the respiratory circuit are monitored continuously. To prevent the risk of cross-contamination, virus-bacterial hydrophobic filters (not shown in figure 2) are installed on the NO supply line and the NO and NO 2 monitoring line.
В представленном на фиг.2 варианте исполнения были получены следующие основные технические характеристики. In the embodiment shown in FIG. 2, the following main technical characteristics were obtained.
Концентрацию окиси азота в дыхательном контуре регулировали от 1 до 100 ррш при изменении частоты следования импульсов генератора высоковольтных импульсов от 50 до 5000 Гц и скорости основного дыхательного потока от 1,5 до 20 л/мин. При этом объемный расход NO-содержащего воздуха, подаваемого в дыхательный контур равнялся около 0,5 л/мин. Шаг во всем диапазоне регулирования концентрации NO составил 1 ррш. В выходном потоке дыхательного тракта отсутствовал озон (с точностью 0,01 ppm). При испытании заявляемого устройства в режиме максимальной производительности в течение 900 часов (из них 10 дней непрерывной работы) значения вышеуказанных параметров концентрации NO не вышли за пределы ± 20%, глубина плазменной эрозии дискового электрода не превысила 0,05 мм, а секторного электрода - 0,15 мм, что позволило создать возможность для надежной доставки NO-содержащей смеси пациенту, даже при длительной терапии. The concentration of nitric oxide in the respiratory circuit was regulated from 1 to 100 ppm by changing the pulse repetition rate of the high-voltage pulse generator from 50 to 5000 Hz and the rate of the main respiratory flow from 1.5 to 20 l/min. At the same time, the volumetric flow rate of NO-containing air supplied to the breathing circuit was about 0.5 l/min. The step in the entire range of regulation of the NO concentration was 1 pp. There was no ozone in the respiratory tract outlet (with an accuracy of 0.01 ppm). When testing the proposed device in the maximum performance mode for 900 hours (including 10 days of continuous operation), the values of the above parameters of the NO concentration did not go beyond ± 20%, the depth of plasma erosion of the disk electrode did not exceed 0.05 mm, and the sector electrode did not exceed 0 .15 mm, which made it possible to reliably deliver the NO-containing mixture to the patient, even with prolonged therapy.
Практическое (промышленное) применение Practical (industrial) application
Медицинский аппарат с заявляемым устройством для получения окиси азота прошел технические испытания и клинические испытания у 55-ти взрослых пациентов. The medical device with the claimed device for obtaining nitric oxide has passed technical tests and clinical trials in 55 adult patients.
Результаты продемонстрировали клиническую эффективность терапии и высокую надежность примененного аппарата, генерирующего окись азота из окружающего воздуха, в том числе в сравнении с традиционной терапией, использующей аппаратуру с подачей NO-содержащего газа из 150-ти атмосферного баллона. The results demonstrated the clinical efficacy of therapy and the high reliability of the device used, generating nitric oxide from the ambient air, including in comparison with traditional therapy using equipment with the supply of NO-containing gas from a 150-atmospheric cylinder.

Claims

27 Формула изобретения 27 Claims
1. Устройство для получения окиси азота, включающее цилиндрическую разрядную камеру, газовый фильтр, насос, блок очистки, высоковольтный генератор с регулируемой частотой следования импульсов, камера содержит два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода с межэлектродным пространством между ними, впускной и выпускной каналы, первый высоковольтный электрод выполнен в виде диска с центральным отверстием для впускного канала, установлен поперечно оси разрядной камеры, второй высоковольтный электрод установлен вдоль оси разрядной камеры, а высоковольтный генератор подключен к высоковольтным электродам, отличающееся тем, что второй высоковольтный электрод выполнен в виде сектора диска со скошенной под углом а острой кромкой и с боковым отверстием для выпускного канала, устройство снабжено источником ультрафиолетового излучения для подсветки острой кромки второго электрода, при этом спектральный диапазон ультрафиолетового излучения выбран из условия получения фотоэлектронной эмиссии А, < 1240/А, где А - работа выхода из материала электродов, эВ, Л - длина волны ультрафиолетового излучения, нм, а величина угла а выбрана из условия подсветки первого электрода УФ-излучением, отраженным от скошенной кромки второго электрода, причем выход газового фильтра соединен с впускным каналом, выпускной канал соединен с входом насоса, выход которого соединен с входом блока очистки. 1. A device for producing nitric oxide, including a cylindrical discharge chamber, a gas filter, a pump, a purification unit, a high-voltage generator with an adjustable pulse repetition rate, the chamber contains two high-voltage electrodes electrically isolated from each other with an interelectrode space between them, inlet and outlet channels, the first high-voltage electrode is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel, it is installed transversely to the axis of the discharge chamber, the second high-voltage electrode is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage generator is connected to the high-voltage electrodes, characterized in that the second high-voltage electrode is made in the form of a disk sector with sharp edge beveled at an angle a and with a side hole for the outlet channel, the device is equipped with a source of ultraviolet radiation to illuminate the sharp edge of the second electrode, while the spectral range of ultraviolet radiation is selected from the condition for obtaining photoelectron emission A, < 1240/A, where A is the work function from the electrode material, eV, L is the wavelength of ultraviolet radiation, nm, and the angle a is selected from the condition of illumination of the first electrode by UV radiation reflected from the beveled edge of the second electrode, moreover, the gas filter outlet is connected to the inlet channel, the outlet channel is connected to the inlet pump, the output of which is connected to the input of the cleaning unit.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе ультрафиолетового светодиода. 2. The device according to claim 1, characterized in that the source of ultraviolet radiation is made on the basis of an ultraviolet LED.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе газоразрядной кварцевой лампы. 3. The device according to claim 1, characterized in that the source of ultraviolet radiation is made on the basis of a gas-discharge quartz lamp.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник ультрафиолетового излучения позволяет формировать коллимированный пучок. 4. The device according to claim 1, characterized in that the source of ultraviolet radiation allows you to form a collimated beam.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник ультрафиолетового излучения позволяет формировать сходящийся пучок, фокус которого находится на пересечении оси разрядной камеры с краем острой кромки. 5. The device according to claim 1, characterized in that the source of ultraviolet radiation allows you to form a converging beam, the focus of which is at the intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of a sharp edge.
PCT/RU2021/000465 2021-10-27 2021-10-27 Device for producing nitric oxide WO2023075629A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2021/000465 WO2023075629A1 (en) 2021-10-27 2021-10-27 Device for producing nitric oxide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2021/000465 WO2023075629A1 (en) 2021-10-27 2021-10-27 Device for producing nitric oxide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023075629A1 true WO2023075629A1 (en) 2023-05-04

Family

ID=86160134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/000465 WO2023075629A1 (en) 2021-10-27 2021-10-27 Device for producing nitric oxide

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023075629A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5396882A (en) * 1992-03-11 1995-03-14 The General Hospital Corporation Generation of nitric oxide from air for medical uses
RU2553290C1 (en) * 2014-01-23 2015-06-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Nitrogen oxide generator system
RU2642798C1 (en) * 2017-02-20 2018-01-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Discharge camera for plasma chemical reactions
RU2719992C1 (en) * 2017-02-27 2020-04-23 Сёрд Поул, Инк. Systems and methods of producing nitrogen oxide in outpatient conditions
US20210077975A1 (en) * 2016-12-14 2021-03-18 Origin, Inc. Device and method for producing high-concentration, low-temperature nitric oxide
US20210178106A1 (en) * 2019-08-23 2021-06-17 NOTA Laboratories, LLC Nitric oxide generating systems for inhalation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5396882A (en) * 1992-03-11 1995-03-14 The General Hospital Corporation Generation of nitric oxide from air for medical uses
RU2553290C1 (en) * 2014-01-23 2015-06-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Nitrogen oxide generator system
US20210077975A1 (en) * 2016-12-14 2021-03-18 Origin, Inc. Device and method for producing high-concentration, low-temperature nitric oxide
RU2642798C1 (en) * 2017-02-20 2018-01-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Discharge camera for plasma chemical reactions
RU2719992C1 (en) * 2017-02-27 2020-04-23 Сёрд Поул, Инк. Systems and methods of producing nitrogen oxide in outpatient conditions
US20210178106A1 (en) * 2019-08-23 2021-06-17 NOTA Laboratories, LLC Nitric oxide generating systems for inhalation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Malik Nitric oxide production by high voltage electrical discharges for medical uses: a review
JP4953814B2 (en) Ozone generator and ozone generation method
Malik et al. Ozone-free nitric oxide production using an atmospheric pressure surface discharge–a way to minimize nitrogen dioxide co-production
RU2540427C2 (en) Perfected device and method of air cleaning
JP4677530B2 (en) Plasma generating apparatus and plasma generating method
US6296827B1 (en) Method and apparatus for plasma-chemical production of nitrogen monoxide
JP4803186B2 (en) Fuel reformer
US20040223893A1 (en) Ozone generator
KR101553587B1 (en) Apparatus and method for cleaning air
US7521026B2 (en) Field-enhanced electrodes for additive-injection non-thermal plasma (NTP) processor
Chen et al. The preliminary discharging characterization of a novel APGD plume and its application in organic contaminant degradation
JP2002151295A (en) Discharge generating device
RU2804697C1 (en) Device for producing nitrogen oxide
WO2023075629A1 (en) Device for producing nitric oxide
Hnatiuc et al. A review over the cold plasma reactors and their applications
WO2016063302A2 (en) Process for combustion of nitrogen for fertilizer production
US20160251220A1 (en) Ozone generator
Du et al. Electrical and spectral characteristics of a hybrid gliding arc discharge in air–water
RU2553290C1 (en) Nitrogen oxide generator system
Hashim et al. Discharge based processing systems for nitric oxide remediation
CN114189972A (en) Stable plasma discharge device, control method and system
KR101692218B1 (en) Dielectric barrier plasma generation device for removing volatile organic compounds and method for removing them using same
RU2642798C1 (en) Discharge camera for plasma chemical reactions
Nascimento et al. Optical measurements of an atmospheric pressure microplasma jet aiming surface treatment
CN113840439A (en) Intelligent control plasma air rapid sterilization device

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022113853

Country of ref document: RU

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

Ref document number: 21962657

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202490639

Country of ref document: EA

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 16509

Country of ref document: GE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2024/004880

Country of ref document: TR

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112024007981

Country of ref document: BR