Устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов, осуществляемых в жидкой рабочей среде с использованием энергии упругих колебаний

Изобретение относится к области ультразвуковых технологий и может быть использовано в различных сферах человеческой деятельности, например в медицине для дезинфекции стоматологических инструментов, а также и в различных отраслях народного хозяйства. Решение поставленной задачи в устройстве для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов, осуществляемых в жидкой рабочей среде с использованием энергии упругих колебаний, включающем рабочую камеру в виде полой емкости, источник упругих колебаний, излучающее звено которого расположено в полости рабочей камеры, источник электропитания и соединенные с ним, по меньшей мере, два электрода, которые введены в полость рабочей камеры, достигается за счет того, что источник упругих колебаний выполнен работающим в частотном диапазоне 1-8000 кГц на одной или нескольких частотах, электроды установлены от излучающего звена на расстоянии, не превышающем длины волны упругих колебаний, распространяющейся в используемой рабочей среде, а источник электропитания выполнен в виде двух блоков, один из которых формирует напряжение поджигающего импульса в пределах 10-25 кВ и устанавливает его продолжительность в интервале 0,01-100 микросекунд, а другой - формирует напряжение стабильного горения плазменного разряда, составляющее 50-300 В. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области ультразвуковых технологий и может быть использовано в различных сферах человеческой деятельности, например в медицине для дезинфекции стоматологических инструментов и при обработке хирургических материалов и изделий, а также и в различных отраслях народного хозяйства, например при получении водорода и кислорода, при восстановлении металлов из оксидной и сульфидной фаз, и для получения наноразмерных порошков чистых металлов и сплавов.

Известно устройство для диспергирования порошковых материалов, в котором рабочая камера и источник упругих колебаний выполнены как единое целое и изготовлены на базе кольцевого магнитострикционного преобразователя ЦМС-8, создающего в жидкой рабочей среде зону кавитации и работающего на одной ультразвуковой частоте [а.с. СССР №561576, кл. В08В 3/12, 1973 г.].

К основным недостаткам этого устройство, которое может быть использовано в различных технологических процессах, следует отнести незначительную интенсивность создаваемых колебаний, а также и то, что оно, вследствие своего конструктивного оснащения, даже и не предопределяет возможности, например, разложения воды и получения из нее водорода или кислорода.

Известно также устройство для обработки хирургических материалов и изделий жидкими лекарственными веществами с использованием упругих колебаний, при эксплуатации которого на рабочую среду одновременно с упругими колебаниями, возбуждаемыми на частоте 600 кГц и с интенсивностью до 2 Вт/см.кв., обеспечивающими создание зоны кавитации, воздействуют электрическим током. Это устройство включает рабочую камеру в виде полой емкости, источник упругих колебаний, излучающее звено которого расположено в полости рабочей камеры, источник электропитания и соединенные с ним, по меньшей мере, два электрода, которые введены в полость рабочей камеры [а.с. СССР №577.052, кл. A61L 15/03, 1976 г.].

Данное устройство в сравнении с вышерассмотренным вследствие обеспечения одновременного воздействия на рабочую среду электрическим током и упругими колебаниями имеет более широкие технологические возможности. По своей технической сущности оно является наиболее близким к предлагаемому и принято в качестве прототипа.

К основным недостаткам этого устройства, которое может быть использовано в различных физико-химических и технологических процессах, следует отнести незначительную интенсивность создаваемых колебаний, а также и то, что оно, даже и предопределяя своим конструктивным оснащением возможность, например, разложения воды и получения из нее водорода или кислорода, не обеспечивает ее реализации. Это обусловлено тем, что при тех акустических и электрических параметрах, которыми обладают источник упругих колебаний и источник электропитания, создаваемая зона кавитации (по уровню кавитационного шума) не достигает своего порогового значения, а используемая рабочая среда не может быть подвергнута электрическому пробою.

Настоящее изобретение решает задачу, которая может быть охарактеризована как расширение технических средств определенного назначения, а его технический результат заключается в реализации этого назначения и обеспечивается конструктивным воплощением, позволяющим создать плазменный разряд в жидкой рабочей среде.

Технический результат достигается тем, что предложено устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов, осуществляемых в жидкой рабочей среде с использованием энергии упругих колебаний, включающем рабочую камеру в виде полой емкости, источник упругих колебаний, излучающее звено которого расположено в полости рабочей камеры, источник электропитания и соединенные с ним, по меньшей мере, два электрода, которые введены в полость рабочей камеры, достигается за счет того, что, источник упругих колебаний выполнен работающим в частотном диапазоне 1-8000 кГц на одной или нескольких частотах, электроды установлены от излучающего звена на расстоянии, не превышающем длины волны упругих колебаний, распространяющейся в используемой рабочей среде, а источник электропитания выполнен в виде двух блоков, один из которых формирует напряжение поджигающего импульса в пределах 10-25 кВ и устанавливает его продолжительность в интервале 0,01-100 микросекунд, а другой - формирует напряжение стабильного горения плазменного разряда, составляющее 50-300 В.

Целесообразно и то, что:

электроды выполнены преимущественно в виде стержней и изготовлены из одинаковых или разных материалов, преимущественно из металла и с одинаковыми или разными формами и геометрическими размерами;

электроды расположены в одной общей для них плоскости или в разных плоскостях и установлены по одной прямой или под углом один относительно другого; каждый из электродов или, по меньшей мере, один из них выполнен в виде излучающего звена колебательной системы, которое выполнено в виде нескольких, преимущественно однотипных стержней, расположенных в упорядоченном или в произвольном порядке;

излучающее звено полностью или частично изготовлено из того же материала, что и электроды или, по меньшей мере, один из них;

по меньшей мере, один из электродов в его поперечном и/или в продольном сечении выполнен составным, а в рабочей камере, по меньшей мере, один из составляющих ее элементов изготовлен из фторопласта;

устройство дополнительно снабжено средствами перемещения и/или регулирования месторасположения, по меньшей мере, одного из электродов, а также средствами контроля и регулирования акустических и электрических параметров.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема установки, не исключающей других вариантов выполнения предлагаемого устройства в объеме его формулы изобретения.

Рабочая камера установки выполнена в виде полой емкости 1, которая оснащена крышкой 2 и заполнена жидкой рабочей средой 3. Источник упругих колебаний образован ультразвуковым генератором 4 и колебательной системой, состоящей из магнитострикционного преобразователя 5 и титанового волновода, являющегося излучающим звеном 6, которое через крышку 2 введено в рабочую среду 3. Два медных электрода 7 и 8, герметично введенные в полость рабочей камеры, посредством проводников 9 соединены с источником электропитания 10, который образован двумя блоками. Один из этих блоков 11 формирует напряжение поджигающего импульса, достаточное для пробоя рабочей среды (10-25 кВ), и устанавливает его продолжительность в интервале 0,01-100 микросекунд, а другой блок 12 формирует напряжение стабильного горения плазменного разряда, составляющее 50-300 В. Электроды 7 и 8 в полости рабочей камеры расположены от излучающего звена 6 колебательной системы на расстоянии, не превышающем длины волны упругих колебаний, распространяющейся в рабочей среде. При этом они выполнены в виде стержней, имеют одинаковые формы (цилиндр) и геометрические размеры, установлены по одной прямой и расположены в одной общей для них плоскости, которая параллельна излучающему торца волновода.

Эксплуатация предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

После заполнения полости рабочей камеры 1 однородной жидкостью 3, например дистиллированной водой, включают ультразвуковой генератор 4 и настраивают его (генератор УЗГ-10-22) на резонансную частоту, например в 19,5 кГц. Электрические колебания от генератора поступают на магнитострикционный преобразователь 5 (ПМС-15А-18), который преобразует их в упругие механические колебания этой же частоты и посредством волновода 6, т.е. излучающего звена колебательной системы, передает их в рабочую среду 3. Затем, увеличивая и регулируя мощность генератора, в рабочей среде создают устойчивую зону кавитации с требуемым уровнем кавитационного шума, например в 1,2 раза превышающим пороговое значение кавитации рабочей среды, который в дистиллированной воде, позволяющей осуществлять предлагаемый способ при его минимальных параметрах, обеспечивается колебаниями свободного торца волновода с амплитудой в 5-7 микрон (более высокий уровень кавитационного шума достигается при больших значениях амплитуды колебаний, максимум которых может быть ограничен амплитудой 60 микрон). После этого включают источник электропитания 10 и посредством его блока 11, формирующего напряжение поджигающего импульса и устанавливающего его продолжительность, через проводники 9 на медные стержнеобразные электроды 7 и 8 подают поджигающий импульс, продолжительность и напряжение которого устанавливают, например, равными соответственно 0,1 микросекунде и 10 киловольтам. Сразу же за подачей поджигающего импульса, приводящего к электрическому пробою рабочей среды и делающего любую из жидкостей электропроводящей, на электроды 7 и 8 с другого блока 12 источника электропитания 10 подают напряжение, например, равное 50 вольт, в результате чего в рабочей жидкости возникает плазменный разряд, имеющий стабильное горение и позволяющий целенаправленно воздействовать на какой-либо из параметров осуществляемого процесса.

В общем случае при горении плазмы в кавитирующей жидкости происходит как эрозия и диспергирование материала электродов (дисперсность получаемых частиц высока - они имеют микро- и наноразмеры, а их форма - уникальна), так и разложение рабочей среды, приводящее, например, к выделению из нее газов (для воды это водород и кислород). Вследствие этого, соответствующие подборы составов рабочей среды, акустических и электрических параметров и технологических характеристик осуществляемых процессов, а также комбинирование видом и количеством источников упругих колебаний и выбор объектов воздействия позволят не только в значительной степени интенсифицировать известные в настоящее время физико-химические и технологические процессы, но и увеличить их количество.

Предлагаемое устройство было опробовано в лабораторных условиях, в том числе для диспергирования порошковых материалов и при обработке хирургических и стоматологических инструментов, что и позволило сравнить его эффективность с известными устройствами, принятыми в качестве аналога и прототипа (сокращение продолжительности процесса и количества компонентов в используемой рабочей среде). Следует отметить, что экспериментальное опробывание предлагаемого устройства позволило на практике убедиться в том, что даже минимальное отступление от заявленных параметров в сторону их уменьшения не позволяет возбудить в рабочей среде плазменный разряд и поддерживать его стабильное горение, в то время как их дальнейшее увеличение не приводит к более существенным положительным эффектам.

К другим примерам конкретного выполнения предлагаемого устройства, кроме практически обязательного его оснащения средствами перемещения и/или регулирования месторасположения, по меньшей мере, одного из электродов и средствами контроля и регулирования акустических и электрических параметров, следует отнести следующее:

- создание комбинированного источника упругих колебаний, работающего на нескольких частотах, что может быть реализовано посредством одновременного использования гидродинамических, пьезокерамических и магнитострикционных излучателей известных конструкций и частотных диапазонов;

- изготовление электродов из разных материалов, в том числе и не из металла (графит), с разными формами и геометрическими размерами и их расположение в разных плоскостях относительно излучающего торца волновода, параллельно друг к другу или под некоторым углом один относительно другого;

- выполнение каждого из электродов или, по меньшей мере, одного из них в виде излучающего звена колебательной системы, которое, в свою очередь, может быть полностью или частично изготовлено из того же материала, что и электроды или, по меньшей мере, один из них, который в его поперечном и/или продольном сечении может быть выполнен составным;

- выполнение излучающего звена в виде нескольких, преимущественно однотипных стержней, расположенных в упорядоченном или произвольном порядке;

- оснащение рабочей камеры съемным дном, изготовленным из фторопласта, что является очень существенным для процесса получения металлических порошков, частицы которых имеют микро- и наноразмеры.

1. Устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов, осуществляемых в жидкой рабочей среде с использованием энергии упругих колебаний, включающее рабочую камеру в виде полой емкости, источник упругих колебаний, излучающее звено которого расположено в полости рабочей камеры, источник электропитания и соединенные с ним, по меньшей мере, два электрода, которые введены в полость рабочей камеры, отличающееся тем, что источник упругих колебаний выполнен работающим в частотном диапазоне 1-8000 кГц на одной или нескольких частотах, электроды установлены от излучающего звена на расстоянии, не превышающем длины волны упругих колебаний, распространяющейся в используемой рабочей среде, а источник электропитания выполнен в виде двух блоков, один из которых формирует напряжение поджигающего импульса в пределах 10-25 кВ и устанавливает его продолжительность в интервале 0,01-100 мкс, а другой формирует напряжение стабильного горения плазменного разряда, составляющее 50-300 В.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены, преимущественно, в виде стержней и изготовлены из одинаковых или разных материалов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электроды изготовлены, преимущественно, из металла.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены с одинаковыми или разными формами и геометрическими размерами.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды расположены в одной общей для них плоскости или в разных плоскостях и установлены по одной прямой или под углом один относительно другого.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из электродов или, по меньшей мере, один из них выполнен в виде излучающего звена колебательной системы.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что излучающее звено выполнено в виде нескольких, преимущественно однотипных стержней, расположенных в упорядоченном или в произвольном порядке.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что излучающее звено полностью или частично изготовлено из того же материала, что и электроды или, по меньшей мере, один из них.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из электродов в его поперечном и/или в продольном сечении выполнен составным.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в рабочей камере, по меньшей мере, один из составляющих ее элементов изготовлен из фторопласта.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средствами перемещения и/или регулирования месторасположения, по меньшей мере, одного из электродов.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средствами контроля и регулирования акустических и электрических параметров.