УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОДНОЙ ДИСПЕРСИИ НАНОЧАСТИЦ

Полезная модель относится к металлургии, а именно к технологии изготовления водной дисперсии наночастиц токопроводящих материалов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, и может быть использовано в медицине, биологии и порошковой металлургии.
Известны способ и устройство для изготовления металлического нанопорошка в жидкой среде с использованием низковольтного импульсного электродугового разряда, RU 2604283 С2, опубл. 10.12.2016.
Два электрода устанавливают в емкости с жидкой средой, подают на них импульсное напряжение, в результате образовывается плазма в жидкой среде, и из материала электродов формируются наночастицы, которые выпадают в осадок. Один из электродов устанавливают на механическом вибраторе с возможностью возвратно-поступательного движения по всей длине второго электрода, закрепленного у дна емкости с жидкой средой. На электроды подают двухполярные импульсы от генератора низкого напряжения, при этом электроды осуществляют принудительное замыкание и разрыв электрической цепи. Синусоидально изменяют разрядный промежуток между электродами для обеспечения генерации сильноточного разряда между электродами.
Недостатком известного технического решения является отсутствие постоянного проточного движения жидкости через камеру, в результате чего в камере накапливаются продукты эрозии электродов, которые влияют на условия разряда и параметры конечного продукта. Установка также имеет невысокий ресурс, т.к. взаимное возвратно-поступательное движение электродов друг относительно друга вызывает их быстрый износ. Кроме того, требуется периодическая, довольно частая, остановка для замены изношенных электродов, т.е. не обеспечивается длительная непрерывная работа установки.
Известно устройство для изготовления наночастиц токопроводящих материалов в виде суспензий с помощью электрических разрядов, RU 94492 U1, опубл. 27.05.2010. В камере с рабочей жидкостью смонтированы два электрода, один из которых имеет возможность продольного перемещения, второй электрод вращается и совершает реверсивные поперечные движения, образуя разрядный промежуток. Между электродами осуществляют периодические импульсные электрические разряды, генерирующие наночастицы. Электроды электрически связаны через колебательный контур, который позволяет каждый разрядный импульс модулировать по частоте, что обеспечивает стабилизацию параметров электродугового процесса в разрядном промежутке.
К недостаткам данного устройства относятся:
- низкая производительность, обусловленная малым межэлектродным промежутком, в котором происходит застой насыщенного гидрозоля и дестабилизируется поступление в рабочую жидкость наночастиц;
- невысокое качество конечного продукта, обусловленное сложностью контроля насыщения рабочей жидкости наночастицами по изменению цвета гидрозоля. Кроме того, фиксация изменения разрядного промежутка по показаниям счетчика импульсов недостаточна для получения монодисперсных наночастиц, так как эти показания снимаются при существенном изменении условий формирования разряда и, соответственно, параметров наночастиц; малые размеры межэлектродного промежутка значительно повышают требования к системе его стабилизации, так как необходимо фиксировать и отрабатывать микронные изменения;
- невысокий ресурс и отсутствие возможности непрерывной работы из-за возникновения гидродинамических воздействий, разрушающих поверхности электродов, а также ввиду необходимости частой замены рабочей жидкости и электродов.
Известно устройство для изготовления наночастиц токопроводящих материалов, содержащее камеру с проточной водой, два электрода в конфигурации острие - плоскость, один из которых неподвижный (плоскость), а второй (острие) имеет привод для автоматической подачи с переменной скоростью. Устройство имеет блок генерации высоковольтных импульсов, средство для регулирования межэлектродного промежутка на основе сравнения токов, протекающих в первичной и вторичной обмотках трансформатора, и блок управления приводом, RU 2262487 С1, опубл. 20.10.2005.
Недостатком известного устройства является нестабильность процесса функционирования из-за неравномерного эрозионного износа электродов, что вызывает существенные изменения условий формирования разряда и приводит к затуханию дуги или к короткому замыканию межэлектродного промежутка, а также служит причиной разброса размера получаемых наночастиц, имеющих различные физические свойства и служебные характеристики.
Основным недостатком известного устройства является невысокий ресурс, обусловленный износом неподвижного электрода при длительном воздействии высоковольтных импульсных разрядов. Это ограничивает возможность непрерывной работы устройства, снижает производительность, так как требуется частая замена неподвижного электрода.
Известны способ и устройство изготовления наночастиц токопроводящих материалов, RU 2272697 С1, опубл. 27.03.2006. Известное устройство выбрано в качестве прототипа по технической сущности и числу совпадающих признаков.
Известное устройство содержит генератор высоковольтных электрических импульсов, разрядную камеру с проточной жидкостью, в которой размещены соосно смонтированные токопроводящие электроды, один из которых выполнен в виде стержня и является подвижным, а второй выполнен в виде плоскости и является неподвижным; между электродами образован межэлектродный промежуток. Известное устройство содержит также устройство стабилизации (контроллер) межэлектродного промежутка и оптический датчик, выполненный с возможностью контроля положения торцевой части подвижного электрода и соединенный с первым входом устройства стабилизации, выход которого связан с приводом, выполненным с возможностью продольного перемещения подвижного электрода. Известное устройство также содержит два датчика температуры для измерения температуры жидкости на входе и выходе из камеры; температуру поддерживают в заданных пределах, изменяя расход жидкости, проходящей через камеру.
Недостатками прототипа являются:
- нестабильность характеристик генерируемых наночастиц и изменение структуры и чистоты изготавливаемой суспензии, вызванные нестабильностью условий формирования разряда и характеристик разрядного промежутка, из-за неравномерного эрозионного износа неподвижного плоскостного электрода, который срабатывается с образованием лунки. Использование для поддержания постоянными условий формирования разряда регулирования потока проходящей жидкости, в зависимости от температуры жидкости на входе и выходе камеры, неэффективно, т.к. приходится отслеживать незначительные изменения характеристик разрядного промежутка;
- невысокий ресурс, обусловленный необходимостью частой замены неравномерно изношенного неподвижного электрода при длительном воздействии высоковольтных импульсных разрядов, что требуется для поддержания постоянными характеристик разрядного промежутка. Это ограничивает возможность непрерывной работы устройства и снижает производительность устройства.
В основу предлагаемого устройства положено решение задачи повышения ресурса при поддержании постоянными характеристик генерируемых наночастиц, структуры и чистоты изготавливаемой водной дисперсии за счет обеспечения длительной непрерывной работы устройства и поддержания постоянными характеристик разрядного промежутка.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для изготовления водной дисперсии наночастиц, содержащее генератор высоковольтных электрических импульсов, разрядную камеру с проточной жидкостью, в которой размещены два соосно смонтированных токопроводящих электрода с образованием межэлектродного промежутка, устройство стабилизации межэлектродного промежутка и оптический датчик, выполненный с возможностью контроля положения торцевой части первого электрода и соединенный с первым входом устройства стабилизации, первый выход которого связан с приводом, выполненным с возможностью продольного перемещения первого электрода, согласно полезной модели, устройство снабжено вторым оптическим датчиком и вторым приводом, выполненным с возможностью продольного перемещения второго электрода, при этом второй датчик выполнен с возможностью контроля положения торцевой части второго электрода и соединен со вторым входом устройства стабилизации, второй выход которого связан со вторым приводом, причем устройство стабилизации выполнено с возможностью формирования независимых друга от друга сигналов на включение приводов перемещения электродов, а оба электрода выполнены в виде длинных тонких стержней.
Предпочтительно, оптические датчики установлены так, что их оптические оси параллельны и разнесены на расстояние, равное межэлектродному промежутку, при этом оптические оси датчиков перпендикулярны соосно смонтированным электродам и пересекают их в области торцевых частей электродов; причем устройство может быть снабжено тубусом, установленным между камерой и оптическими датчиками, при этом в стенке камеры и в крышке тубуса выполнены узкие светопропускающие отверстия, оси которых совпадают с оптическими осями датчиков.
Электроды могут быть выполнены в виде токопроводящих капиллярных трубок, при этом электроды могут быть выполнены с возможностью подачи в межэлектродный промежуток газа или жидкости.
Снабжение устройства двумя электродами в виде тонких стержней (острийными) обусловливает хорошую симметрию электрического поля, благодаря равенству площадей торцевых поверхностей электродов, выполненных, в частности, из проволоки одного диаметра. Малый диаметр электродов (~1 мм) приводит к искажению поля, повышая его напряженность у эмитирующей поверхности, тем самым способствуя получению монодисперсных наночастиц. Благодаря выполнению обоих электродов подвижными, с автономными приводами, обеспечивается их продольное перемещение независимо друг от друга, что позволяет стабилизировать межэлектродный промежуток и компенсировать разный эрозионный износ. Благодаря выполнению электродов в виде длинных тонких стержней (в частности, мотков проволоки) не требуется частая замена изношенных электродов, т.к. взамен изношенного торца электрода в разрядный промежуток подается следующая часть стержня. Таким образом, время непрерывной работы устройства увеличивается, фактически оно ограничивается длиной смотанной проволоки. Благодаря осуществлению контроля положения торца каждого из электродов с помощью оптической схемы отслеживания осуществляется автоматическая подача каждого электрода в зависимости от его изношенности, что позволяет поддерживать характеристики межэлектродного промежутка и условия формирования разряда постоянными. При этом обеспечивается стабильность характеристик генерируемых наночастиц, а также структуры и чистоты изготавливаемой их водной дисперсии. Таким образом, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для решения поставленной задачи -повышения ресурса при поддержании постоянными характеристик генерируемых наночастиц, структуры и чистоты изготавливаемой водной дисперсии за счет обеспечения длительной непрерывной работы устройства и поддержания постоянными характеристик разрядного промежутка.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- на Фиг. 1 - блок-схема устройства для изготовления водной дисперсии наночастиц;
- на Фиг. 2 - кинематическая схема устройства для изготовления водной дисперсии наночастиц.
Устройство для изготовления водных дисперсий наночастиц содержит генератор 1 высоковольтных электрических импульсов, разрядную камеру 2 с проточной жидкостью, в частности, дистиллированной водой, в которой размещены соосно смонтированные подсоединенные к генератору 1 токопроводящие электроды 3 и 4 с образованием межэлектродного промежутка А. Электроды 3 и 4 связаны с приводами 6 и 5, выполненными с возможностью продольного перемещения электродов 3 и 4, соответственно. В качестве приводов 5 и 6 использованы шаговые двигатели. Управление приводами 5 и 6 осуществляют устройством 7 стабилизации межэлектродного промежутка. Контроль положения торцевых частей электродов 3 и 4 осуществляют с помощью оптических датчиков 8 и 9, соединенных с входами устройства 7 стабилизации, выходы которого соединены с приводами 6 и 5, выполненными с возможностью независимого друг от друга продольного перемещения электродов 3 и 4, соответственно. Электроды 3 и 4 выполнены в виде длинных тонких стержней, в частности, из проволоки из токопроводящих материалов диаметром 0,5-1,2 мм.
Оптические датчики 8 и 9, в частности, выполнены в виде фотодиодов, которые установлены так, что их оптические оси параллельны и разнесены на расстояние А, равное межэлектродному промежутку, при этом оптические оси датчиков 8 и 9 перпендикулярны соосно смонтированным электродам 3 и 4 и пересекают их в области торцевых частей электродов.
Между камерой 2 и оптическими датчиками 8 и 9 установлен тубус 10, при этом в стенке камеры 2 и в крышке тубуса 10 выполнены узкие светопропускающие отверстия, оси которых совпадают с оптическими осями датчиков 8 и 9. Таким образом, датчики 8 и 9 посредством тубуса 10 оптически связаны с торцами электродов 3 и 4. Электроды 3 и 4 соосны и пересекают оптические оси фотодиодов 8 и 9 под углом 90°.
Электроды 3 и 4 могут быть выполнены в виде токопроводящих капиллярных трубок, выполненных с возможностью подачи в межэлектродный промежуток газа или жидкости. Это позволяет изготавливать наночастицы с заранее заданными свойствами, а также получать окислы металлических наночастиц.
Устройство работает следующим образом. Напряжение 220 В от питающей сети подают на генератор 1 высоковольтных импульсов. Импульсное напряжение величиной 30-60 кВ подается на электроды 3 и 4, расположенные в разрядной камере 2 с проточной водой, в результате чего возникают периодические высоковольтные электрические разряды. Энергия импульса составляет 0,1-2,0 Дж, длительность разряда 0,1-20 мкс. Под действием импульсных периодических электрических разрядов происходит эрозия материала электродов 3 и 4 и образование водной дисперсии, содержащей наночастицы материалов электродов. Водная дисперсия наночастиц непрерывно удаляется из разрядной камеры 2 проточной водой.
При работе устройства происходит износ торцевой части электродов 3 и 4, и увеличение межэлектродного промежутка. Для получения наночастиц с заданными параметрами необходимо контролировать и поддерживать постоянным межэлектродный промежуток в течение всего процесса изготовления водной дисперсии, для чего предназначено устройство 7 стабилизации. Межэлектродный промежуток X величиной от 1,0 до 5,0 мм определяется расстоянием А между двумя параллельными оптическими осями фотодиодов 8 и 9, пересекающими электроды 3 и 4 под углом 90°. Контроль и поддержание межэлектродного промежутка основано на оптической локализации приэлектродной зоны разряда. В результате эрозии торцевой части электродов 3 и 4 и увеличения межэлектродного промежутка излучение из разряда через выделенную диафрагмой область и тубус 10 поступает на фотодиоды 8 или 9. Сигналы с фотодиодов, преобразованные устройством формирования и усиления (на чертежах не показано), включают драйвер шаговых двигателей 5 или 6, которые осуществляют подачу электродов 3 или 4. Шаг подачи электрода составляет (А - Х)/2, но не более двух диаметров электрода. Таким образом, за счет автоматического поддержания межэлектродного промежутка постоянным происходит непрерывное образование водной дисперсии наночастиц, при этом эксплуатация устройства не требует частых остановок для замены расходуемых электродов.
Для изготовления устройства для изготовления водной дисперсии наночастиц использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данная полезная модель соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».