ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ МАТЕРИАЛОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ

2.3. Электротехнологии обработки поверхностей материалов

высокочастотным электрическим разрядом

Электротехнологическая установка для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом может быть использована для обработки полимерных пленок, синтетических волокон и других материалов с целью физической модификации их структуры и поверхности. По принципу действия эта установка похожа на электрокоагулятор, но имеет бóльшую мощность, другие режимы работы генератора и газодинамического блока, дает возможность обработки больших поверхностей.

На рис. 2.11 показана общая схема устройства для обработки поверхностей материалов, на рис. 2.12 – конструктивная схема высокочастотного преобразователя, на рис. 2.13 электрическая схема резонансного генератора /28/.

Устройство (рис. 2.11) содержит блок питания 1, соединенный с ним генератор 2 высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой, подключенный к нему преобразователь 3, связанный с преобразователем активный игольчатый электрод 4 и газодинамический блок 5 с емкостью 6 для хранения плазмообразующего газа. Газодинамический блок через газопровод 7 подключен к преобразователю, имеющему сопло 8 для подачи газа. Генератор устройства выполнен в виде активного усилительного элемента 9 и электрически связанного с ним многополюсника 10. Преобразователь (рис. 2.12) выполнен в виде намотанной на полый диэлектрический каркас 11 низковольтной секции 12, высоковольтной секции 13 и сердечника 14, выполненного в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего секции, и связанного с активным игольчатым электродом 4. Клеммы 15 низковольтной секции преобразователя соединены с многополюсником, а клеммы 16 высоковольтной секции разомкнуты.

В генераторе (рис. 2.13) активный усилительный элемент включает в себя транзистор VT1. Многополюсник выполнен в виде трансформатора Т1. Активный усилительный элемент и трансформатор Т1 образуют задающий автогенератор, работающий по схеме "автотрансформаторной трехточки"/30/.

Устройство работает следующим образом. Устанавливают заданный уровень подачи плазмообразующего газа из газодинамического блока, при этом газ поступает в сопло преобразователя в

Рис. 2.11. Схема устройства для обработки поверхностей материалов

Рис. 2.12. Схема устройства ВЧ-преобразователя

зону расположения активного игольчатого электрода. Схему соединения, электрические параметры и режимы работы усилительного элемента и многополюсника выбирают таким образом, чтобы при подаче питания в генераторе генерировалась частота, близкая к собственной резонансной частоте преобразователя. Возможен вариант размещения игольчатого электрода вне сопла. Такой вариант может быть использован при обработке больших поверхностей пленочных полимерных материалов с применением нескольких игольчатых электродов и сопел.

Если обрабатываемый материал обладает недостаточной проводимостью для возникновения и поддержания электрического разряда на игольчатом активном электроде, под обрабатываемый материал следует положить проводящий материал, например лист металла или слой ткани, смоченный водой.

Следует отметить, что разработанное устройство может осуществлять перфорирование пленочных и волокнистых материалов (в этом случае в зону высокочастотного электрического заряда плазмообразующий инертный газ не подают), а также может применяться при обработке полупроводниковых кристаллов, улучшая их структуру и качество, при коагуляции и резекции биологических материалов (тканей, сосудов), для воздействия (разложения) на химические вещества.

При включении блока питания запитывается задающий генератор, параметры которого выбраны таким образом, что он генерирует частоту, близкую к собственной резонансной частоте преобразователя. Эти колебания подаются на клеммы низковольтной секции преобразователя и возбуждают в преобразователе собственную частоту колебаний, которые через цепь индуктивной связи многополюсника навязывают частоту автоколебаний, автоматически подстраивающуюся под собственную частоту резонансных колебаний преобразователя.

Далее при приближении активного игольчатого электрода к обрабатываемому материалу 17 (рис. 2.11) в системе, содержащей задающий автогенератор, преобразователь, обрабатываемый материал и электрический разряд, возникающий и поддерживаемый между преобразователем и обрабатываемым материалом, возникает и автоматически поддерживается резонансный режим работы устройства. Возникновение и поддержание указанного режима зависят от электрических параметров автогенератора и преобразователя, а также от параметров емкостной связи, возникающей между преобразователем и обрабатываемым материалом.

Резонансный рабочий режим работы устройства внешне характеризуется возникновением высокочастотного электрического разряда, создающего поток заряженных частиц на конце игольчатого активного электрода, либо образованием светящегося факела холодной плазмы, если в зону высокочастотного разряда подается инертный газ. Если игольчатый электрод находится слишком далеко от обрабатываемого материала либо, наоборот, непосредственно соприкасается с ним, то изменяются параметры емкостной связи между преобразователем и обрабатываемым материалом, происходит срыв частоты резонансных колебаний вышеуказанной системы и устройство выходит из рабочего режима. При этом высокочастотный электрический разряд прекращается, и устройство переходит в режим "ожидания". Резонансный рабочий режим работы устройства автоматически восстанавливается при повторном сближении активного игольчатого электрода с обрабатываемым материалом.

Установка функционирует в режиме параметрического резонанса, в силу чего имеется возможность регулировать подводимую мощность изменением частоты резонансных колебаний рабочего режима. При этом осуществляется изменение глубины модификации структуры и поверхности пленочного материала. Этого же эффекта можно достичь изменением параметров преобразователя (витков в его секциях, размеров ферритового сердечника). Фокусировку потока плазмы осуществляют выбором диаметра выходного отверстия сопла и давлением инертного газа, устанавливаемым газодинамическим блоком. Активный усилительный элемент может быть выполнен в виде электровакуумного или твердотелого электронного прибора, например электронной лампы, магнетрона, клистрона, транзистора или туннельного диода.

Примером реализации генератора является автогенератор, собранный по схеме "автогенераторной трехточки". При этом автогенератор содержит активный усилительный элемент, в качестве которого использован транзистор КТ 829F (VT1), а в качестве электрического многополюсника использован трехсекционный трансформатор (Т1), намотанный на диэлектрическом каркасе.

На основании исследований по созданию резонансного генератора электрической энергии и определению областей его применения была разработана схема электротехнологической установки для обработки поверхностей материалов, представленная на рис. 2.14.

Основными узлами установки являются блок питания с резонансным генератором напряжением 6 – 9 кВ повышенной частоты 10 – 12 кГц, газораспределительное устройство для подачи инертного газа аргона и непосредственно сопла для получения ионизирующего разряда в инертном газе.

Для проведения испытаний устройства в лабораторных условиях был собран стенд, представленный на рис. 2.15. Стенд содержит баллон с инертным газом, он соединен шлангами через редуктор с манометрами, и ротаметр с соплом, в котором расположен рабочий электрод, соединенный с выходом резонансного трансформатора, получающего питание от генератора повышенной частоты.

Были проведены лабораторные исследования по очистке от окисной плёнки поверхности пластин кремния для повышения КПД солнечных элементов, а также опыты по обработке полимерных пленок для повышения их адгезионных свойств при ламинировании солнечных элементов изготавливаемых фотоэлектрических модулей. Полученные положительные результаты свидетельствуют о возможности снижения трудоемкости и энергоемкости изготовления солнечных элементов, повышения экологической безопасности производства и увеличения срока службы фотоэлектрических модулей.

При обработке поверхности материалов в зависимости от их физико-химических и электрических свойств необходим выбор соответствующего режима настройки частоты и напряжения генератора. На рис. 2.16 представлена плазмообразующая головка с фторо-

Рис. 2.14. Схема электротехнологической установки для обработки

поверхностей материалов:

1 – блок питания; 2 – преобразователь частоты; 3 – автоматический выключатель; 4 – высочастотный трансформатор; 5 – низковольтная обмотка; 6 – высоковольтная обмотка; 7 – высоковольтный электрод; 8 – сопло; 9 – зона ионизации; 10 – газопровод; 11ротаметр; 12вентиль; 3редуктор;

14баллон с инертным газом;15обрабатываемая поверхность

 

пластовым наконечником, имеющим сопло, с высоковольтным электродом, в зону действия которого подается по соединительным шлангам инертный газ, создающий нейтральную среду на обрабатываемой поверхности солнечного элемента.

Для проведения опытов по обработке поверхностей материалов или жидкостей также изготовлена “гребенка” из медицинских шприцов для инъекций, припаянных к трубке длиной 150 мм в ряд на расстоянии 5 мм. Один конец трубки запаян, а с другого ее конца подводится инертный газ, который равномерно истекает через отверстия шприцов, находящихся под напряжением 10 – 15 кВ. При включении этого плазмообразующего устройства на обрабатываемой поверхности появляется светящаяся холодноплазменная полоса. Благодаря такому устройству можно значительно увеличить произ-

Рис. 2.15. Общий вид стенда для обработки материала в среде

инертного газа

Рис. 2.16. Холодноплазменная обработка поверхности фотоэлементов

водительность технологических установок для обработки различных материалов, различной конфигурации.

Возможна также обработка поверхностей материалов без поддува инертного газа. Для этих целей проведены опыты по обработке стекол для ламинирования фотоэлементов при изготовлении солнечных батарей на опытно-производственном участке ВИЭСХ. Прочность соединения стекла и пленки значительно увеличилась.

Также проведены опыты по изучению процесса обработки тонкого слоя 20 – 30 мм воды плазменным пучком различными типами электродов. Холодноплазменный разряд появляется на расстоянии 20 – 25 мм от поверхности воды. Холодноплазменный пучок создает озон и другие активные ионы, которые проникают в слой воды, вызывая при этом ее очищение от микроорганизмов и химически вредных веществ.

Таким образом, использование резонансного генератора электрической энергии предлагает широкие возможности для разработки новых технических средств и экологически чистых электротехнологий сельскохозяйственного производства. Генератор позволяет получить высокое напряжение постоянного или переменного тока повышенной частоты, электрическое поле высокой напряженности, холодноплазменный разряд, а также подключать обычные электроустановки или электроприборы по однопроводной схеме.

Технология электроантисептирования сельскохозяйственной продукции основывается на свойстве озона являться активным окислителем с ярко выраженным бактерицидным действием. Озон может применяться в виде озоновоздушных смесей или водных растворов. Наиболее эффективным способом получения озона из обычного неосушенного атмосферного воздуха с использованием в качестве нагнетателя обычных осевых вентиляторов является электросинтез озона в коронном разряде. Использование резонансного генератора в качестве источника питания озонаторов позволяет повысить эффективность обработки воздуха. Экологическая чистота озона и доступность получения его на месте с помощью озонаторов на основе экономичного малогабаритного резонансного генератора дает возможность широкого применения озона в сельскохозяйственном производстве и на предприятиях пищевой промышленности.

Применение резонансного генератора в качестве источника питания установки для борьбы с сорняками позволяет использовать импульсы высокого напряжения постоянного тока или высоковольтный плазменный разряд. Генератор имеет меньшие массу и габаритные размеры и снижает энергоемкость выполнения процесса уничтожения сорняков.

Применение холодноплазменного электрокоагулятора в ветеринарной практике показало ряд преимуществ новой электротехнологии получения холодноплазменного электроразрядного пучка для коагуляции тканей. Холодноплазменный электрокоагулятор значительно превосходит существующие аналоги по энергетическим и массогабаритным показателям, имеет широкий диапазон регулирования глубины обработки тканей изменением величины генерируемого напряжения, частоты преобразователя и времени экспозиции плазменного пучка на обрабатываемой поверхности, может использоваться в условиях сельского хозяйства и работать от батареек, аккумулятора автомобиля или от электрической сети переменного тока.

Рассмотренные методы обработки и обеззараживания сельскохозяйственной продукции, очистки воды и обработки поверхностей материалов с применением резонансного генератора основаны на воздействии плазменного разряда, который создает на поверхности объекта озон и другие активные вещества, частично проникающие в тонкий слой обрабатываемого продукта, жидкости или материала, вызывая их обеззараживание, очищение или изменение свойств поверхности.