Zariadenie na reguláciu tlaku v elektroizolačnej alebo chladiacej kvapaline, najmä pre generátory elektrickej plazmy dielektrickými bariérovými výbojmi

Číslo patentu: U 5750

Dátum: 06.05.2011

Autori: Ráheľ Jozef, Kováčik Dušan, Sobota Róbert

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka zariadenia na reguláciu tlaku v elektroizolačnej alebo chladiacej kvapaline,najmä pre generátory elektrickej plazmy dielektrickýrní bariérovýrni výbojmi, ktoré zabezpečí prietok média pri tlaku blízkom alebo rovnakom ako je tlak v okoli regulovaného elementu.Doteraj ší stav technikyElektrická plazma generovaná dielektrickými bariérovými výbojmi sa už niekoľko desaťročí využíva pri modifikácii povrchových vlastností organických alebo anorganických materiálov, pri výrobe ozónu, prípadne pri generácii excimérového svetla (U. Kogelschatz, Plasma Chem. Plasma Process., 23(1), (2003) pp. 1-46). Konštrukcia výbojky pozostáva z minimálne dvoch vysokonapäťových budiacich elektród oddelených elektrickým izolantom tak, aby nebolo možné dosiahnuť galvanické spojenie budiacich vysokonapäťových elektród. Konštrukcia je zvyčajne doplnená o chladiaci okruh kvapalného média, ktorého úlohou je udržiavať teplotu výbojky V teplotných medziach s optimálnou plazmochemickou účinnosťou, pripadne zvýšiť dielektrickú izolačnú pevnosť vysokonapäťových elektród. Na dosiahnutie nízkej hodnoty zápalného napätia elektrickej plazmy je žiaduce, aby hrúbka dielektrickej bariéry bola čo najmenšia. V praxi sa táto hrúbka pohybuje rozmedzí od 0,5 mm do 3 mm.Výhodným zdroj om na úpravu rovinných, tabuľových materiálov sú tzv. plošné plazmové zdroje. Pomocou vhodne situovaných budiacich elektród sa na povrchu elektroizolačnej dielektrickej platne vytvorí tenká vrstva (rádovo desatiny mm) tepelne nerovnovážnej elektrickej plazmy s vysokou objemovou hustotou energie. Opracovávaný materiál sa následne vystaví kontaktu s takto vytvorenou elektrickou plazmou (pozri obr. l). Príklady takýchto plošných plazmových zdrojov sú napr. povrchový dielektrický bariérový výboj alebo koplanámy bariérový výboj (V. I. Gibalov, J. Phys. D Appl. Phys. 33 (2000) pp. 2618-2636.). V prípade, že plošný plazmový zdroj je vybavený prostriedkom na chladenie elektroizolačnej platne cirkulujúcim kvapalnýrn médíom, v dôsledku pôsobenia tlaku v kvapaline na povrch elektroizolačnej platne dochádza k jej nežiaducemu zakriveniu. Toto zakrivenie (pozri obr. 2 a a 2 b) má za následok zhoršenie kontaktu generovanej plazmy s povrchom opracovávaného materiálu a zhoršenie účinnosti plazmochemickej úpravy.Podobný problém nastáva aj v pripade generácie difúzneho bariérového výboja, tzv. APGD (tlecí výboj pri atrnosférickom tlaku) spôsobom popísaným napr. v EP 1 l 08264, alebo W 09428568. Na zabezpečenie horenia výboja v APGD režime v rovinnom usporiadaní elektród je dôležité zachovať vysokú mieru planparalelnosti rovnobežných elektroizolačných bariér oddeľujúcich napájané elektródy. Zalcrivenie elektroizolačnej bariéry v dôsledku tlaku chladiacej kvapaliny túto požiadavku výrazne komplikuje, až znemožňuje.Známym spôsobom riešenia tohto nedostatku je mechanické vystuženie dielektrickej bariéry. Realizácia mechanického riešenia prináša viaceré technické komplikácie súvisiace napr. s vytvorením mv. trojných bodov (oblasti koncentrácie elektrických siločiar vedúce k vzniku lokálneho elektrického prierazu), alebo s kompatibílitou teplotnej rozťažnosti vystužujúcich materiálov. Iným známym spôsobom je minimalizácia tlakového spádu naprieč výbojovým elementom pomocou zníženia rýchlosti prietoku chladiacej kvapaliny,alebo zväčšením rozmerov (prierezu) chladiaceho kanála. Hlavnou nevýhodou takéto riešenia je zhoršenie chladiacej účinnosti kvapalného média.Cieľom technického riešenia je odstrániť alebo aspoň minimalizovať zakrivenie elektroizolačnej bariéry pri zachovaní chladiacej účinnosti kvapalného média, a to bez vzniku oblastí s koncentrovanými elektrickými siločiarami.Analýza elastickej deformácie rovinných platní s bežnými hodnotami Youngovho modulu pružnosti pre elektroizolačne materiály (50 GPa sklo - 400 GPa konmd) ukázala, že pre dosiahnutie výchylky veľkosti l mm uprostred platne hrúbky l mm s plochou minimálne 10 cm x 10 cm je postačujúci účinok rovnomeme rozloženej sily zodpovedajúcej tlaku na úrovni desatín atmosférického tlaku (tzn. 10 - 50 kPa). Tento nečakaný záver o nízkych hodnotách tlaku vyvolávajúcom tak výrazné rozmerové zmeny nám však umožňuje pre ciel technického riešenia s výhodou využiť podtlak generovaný sacím čerpadlom pri svojom nasávaní.Cieľ technického riešenia je dosiahnutý umiestnením regulovaného elementu medzi dvojicu sériovo zapojených čerpadiel. Čerpadla na vstupe kvapalného média do regulovaného elementu je zapojené tak, aby pracovalo ako výtlačné, tzn. aby hnalo kvapalné médium do regulovaného elementu. Mechanická práca čerpadlaspôsobi nárast tlaku kvapaliny v regulovanom elemente o hodnotu Apl.Čerpadlo na výstupe z regulovaného elementu je zapojené vo vzťahu k regulovanému elementu ako sacíe. Tzn. nasáva kvapalné médium z regulovaného elementu a ženie toto médium do ďalších častí chladiaceho okruhu. Mechanická práca čerpadla spôsobí pokles tlaku kvapaliny v regulovanom elemente o hodnotu Apz. Nastavením správneho pomeru čerpacieho výkonu medzi výtlačným a sacím čerpadlom je možné dosiahnuť stav, keď Apl Apg. Nárast tlaku kvapaliny V regulovanom elemente spôsobený výtlačným čerpadlom je kompenzovaný poklesom tlaku kvapaliny vyvolaným sacím čerpadlom. Vďaka nulovému priemernému tlaku V kvapaline nepôsobí na povrch regulovaného elementu tlaková sila, ktorá by mohla viest k jeho deformácii. Veľkosť prietoku kvapaliny však zostáva zachovaná.Prehľad obrázkov na výkresochTechnické riešenie je spoločne so stavom techniky znázornene na výkresoch, kde obr. 1 ukazuje usporiadanie plošného povrchového zdroja plazmy pri aktivácii povrchu rovinného telesa, obr. 2 a ukazuje nežiaduce zakrivenie elektródy povrchového zdroja plazmy v prípade, že sa na jeho vstupe nachádza výtlačné čerpadlo,obr. Zb ukazuje nežiaduce zakrivenie elektródy povrchového zdroja plazmy v prípade, že sa na jeho výstupe nachádza saeie čerpadlo a obr. 3 zachytáva schému uskutočnenia technického riešenia.Príklady uskutočnenia technického riešeniaTechnické riešenie bude popísané na príklade uskutočnenia, ktoré slúži len na ilustráciu podstaty technického riešenia, nie však ako obmedzujúci príklad jeho uskutočnenia. Odborníci znalí stavu techniky nájdu,alebo budú schopní nájsť, s použitím rutinného experimentovania väčšie alebo menšie množstvo ekvivalentov k tomuto popísanému špecifickému technickému riešeniu, pričom však stále spadajú do rozsahu technického riešenia.Na obr. 3 je schematicky znázomený regulovaný element Q tvorený tenkou dieleknickou elektroizolačnou platňou Ľ), na povrchu ktorej dochádza k vzniku elektrickej plazmy, a nádobou 20 s chladiacou alebo elektroizolačnou kvapalinou, ktorá je v priamom kontakte s dielektrickou elektroizolačnou platňou Q. Na vstupe do regulovaného elementu QQ je umiestnené výtlačné čerpadlo g. Na výstupe z regulovaného elementu je umiestnené sacie čerpadlo 52. Výbojový element je výhodne vybavený relatívnym tlakomerom Q na stanovenie rozdielu tlakov medzi kvapalinou v nádobe Q a atmosférickým tlakom V jej okolí, a mikrometrickým úchylkomerom Q na stanovenie veľkosti priehybu dielektrickej elektroizolačnej platne Q.Relatíwiy tlakomer Q a mikrometrický úchylkomer Q umožňujú vyvážiť čerpací výkon čerpadiel g a 52 na požadovanú veľkost tlaku v nádobe 20 s chladiacou alebo elektroizolačnou kvapalinou.Nasledujúce príklady uvádzajú konkrétne výsledky aplikácie tohto technického riešeniaÚčinnosť technického riešenia bola overená na regulácii tlaku vo chladíacom okruhu výbojovej elektródy tzv. difúzneho koplanárneho povrchového bariérového výboja (DCSBD). Elektroizolačná platňa Q bola vyrobená z 96 Algog. Rozmery 230 mm x 95 mm, hrúbka 0,635 mm, modul pružnosti v ťahu 360 GPa. Čerpadla g a g boli realizované dvojicou 12 V DC ponomých odstredivých čerpadiel s maximálnym prietokom 10 litrov/min. a maximálnym výtlakom 0,7 bar. Ako kvapalné médium bola využitá elektroizolačná kvapalina s kinematickou viskozitou 70 mmZ/s pri teplote 20 °C. Výtlačné čerpadlo g bolo uvedené do chodu. Mikrometrický úchylkomer Q detekoval relatívnu zmenu zalcrivenia povrchu Alzog elektroizolačnej platne Q v jej strede (tzn. maximálnu výchylku) v závislosti od veľkosti privedeného napätia na čerpadlo. Sacie čerpadlo 52 nebolo v činnosti. Výsledky meraní zobrazuje tabuľka l.mm mm mm mm mm mmZískané merania poskytujú kvantiñkovaný obraz priehybu elektroizolačnej platne Q korešpondujúci s obr. 22 a.V rovnakej konfigurácii ako V príklade l bolo do činnosti uvedené sacíe čerpadlo Ľ. Výtlačné čerpadlo g nebolo v činnosti. Výsledky meraní relatívneho priehybu elektroizolačnej platne LQ A 120 zachytáva tabuľka 2.-0,01 -0,02 -0,02 -0,06 -0,09 -0, 16 Výchylka 0 mm mm mm mm mm mmZískané merania poskytujú kvantifikovaný obraz priehybu elektroizolačnej platne lg korešpondujúci s obr. 2 b. Pri porovnaní s tabuľkou 1 je zrejmé, že konštrukcia použitého odstredivého čerpadla vytvára na svojej nasávacej strane podtlak s nižšou amplitúdou než je amplitúda pretlaku na výtlačnej strane.V rovnakej konfigurácii ako v príklade 1 boli do činnosti uvedené obidve čerpadlá g a g. Veľkosť napájania výtlačného čerpadla Q bola ñxovaná na hodnote 4 V. Tabuľka 3 zobrazuje veľkosť maximálnej výchylky elektroizolačnej platne 19 V závislosti od veľkosti napájania sacieho čerpadla 2.Tabuľka 3 Napätie 2 0 ZV 4 V SV 6 V SV 0,13 0,04 0,01 -0,01 -0,03 Výchylka 0 00 mm mm mm mm mm mmVýsledky sacieho čerpadla g pre napätia 5 i 1 V presvedčivo ukazujú, že vhodným nastavením počtu otáčok čerpadiel i a 2, v tomto prípade pomocou veľkosti privedeného DC napätia, je možné regulovať tlak V nádobe E s kvapalným médiom a to až do tej miery, že je možné dosiahnuť minimálne zakrivenie,resp. zánik hydrostatickej sily pôsobiacej na plochu elektroizolačnej platne l 0.Technické riešenie je použiteľné pri konštrukcii chladiacich okruhov generátorov nízkoteplotnej plazmy,na báze dielektrických bariérových výbojov, určených pre povrchové plazmochemické úpravy rovinných tabuľových materiálov, ako napríklad tabuľové sklo, kovové platne alebo drevené dosky.1 systém vysokonapäťových budiacich elektród100 regulovaný element ako celok11 konkávne zakrivená dielektrická bariéra pri chladiacom médiu v pretlaku 12 konvexne zakrivená dielektrická bariéra pri chladíacom médiu v podtlaku 2 kvapalné chladiace alebo elektroizolačné médium20 nádoba s chladiacou alebo elektroizolačnou kvapalinou5 l výtlačné čerpadlo na vstupe výbojového elementu52 sacíe čerpadlo na výstupe výbojového elementu1. Zariadenie na reguláciu tlaku v elektroizolačnej alebo chladiacej kvapaline, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že pozostáva z regulovaného elementu (100) tvoreného dielektrickou elektroizolačnou platňou (10) a nádobou (20) s chladiacou alebo elektroizolačnou kvapalinou, ktorá je v priamom kontakte s dielektrickou elektroizolačnou platňou (10), pričom na vstupe do regulovaného elementu ( 100) je umiestnené výtlačné čer 10padlo (51) zapojené vo výtlačnom smere vo vzťahu k regulovanému elementu (100) a na výstupe z regulovaného elementu (100) je umiestnené sacie čerpadlo (52) zapojené v sacom smere vo vzťahu k regulovanému elementu (100), pričom čerpadlá (51) a (52) sú uspôsobené na nezávislé regulovanie ich čerpacích výkonov.2. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že k regulovanému elementu (100) je ďalej zapojený relatívny tlakomer (60) na stanovenie rozdielu tlakov medzi chladiacou alebo elektroizolačnou kvapalinou V nádobe (2 0) a atmosférickým tlakom.3. Zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že k regulovanému elementu(100) je ďalej zapojený mikrometrický úchylkomer (70) na stanovenie veľkosti priehybu dielektrickej elektroizolačnej platne (10).

MPK / Značky

MPK: H05H 1/00, B29C 59/00, C23C 16/00, C23C 16/01, B29C 59/14, H05H 1/02

Značky: elektrickej, reguláciu, zariadenie, dielektrickými, výbojmi, tlaku, generátory, najmä, chladiacej, elektroizolačnej, kvapaline, plazmy, bariérovými

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/8-u5750-zariadenie-na-regulaciu-tlaku-v-elektroizolacnej-alebo-chladiacej-kvapaline-najma-pre-generatory-elektrickej-plazmy-dielektrickymi-barierovymi-vybojmi.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Zariadenie na reguláciu tlaku v elektroizolačnej alebo chladiacej kvapaline, najmä pre generátory elektrickej plazmy dielektrickými bariérovými výbojmi</a>

Podobne patenty