012275 - 1 - Область техники Изобретение относится к

012275
Область техники
Изобретение относится к электростатическим фрикционным генераторам с подвижным элементом
в виде потока частиц вещества.
Предшествующий уровень техники
Известен электростатический генератор [патент GB 114174, опубл. 28.03.1918], включающий заземленный контейнер с соплом сверху, изолированное кольцо, окружающее сопло, и приемник в виде
воронки внутри кольца. Песок или частицы подобного носителя высыпаются из контейнера через сопло,
при этом кольцо приобретает отрицательный заряд, а затем положительно заряженный песок падает в
приемник. Элементы конструкции имеют осесимметричное трубчатое сечение. Такой генератор имеет
невысокую производительность.
Известно устройство для получения электрической энергии высокого напряжения посредством организации потока частиц, несомых сруей газа в трубчатом канале, поверхность участков которого в направлении движения потока выполнена последовательно из материалов с различными фрикционными и
электрическими свойствами [патент GB 473857, опубл. 21.10.1937]. Материалы участков поверхности
канала подобраны так, чтобы участки могли приобретать противоположный электрический заряд. В качестве материала участков используются как диэлектрики, так полупроводники и проводники. Съем зарядов осуществляется со стенок участков канала с помощью электродов, введенных внутрь канала, и/или
с поверхности изгиба канала. При работе устройства возможно появление электроискровых разрядов
между соседними участками или между ними и введенными в канал электродами из-за их близкого расположения. Кроме того, внутренняя поверхность канала подвержена механическому износу от соприкосновения с потоком частиц, особенно в области поверхности изгиба канала.
В качестве прототипа выбран электростатический фрикционный генератор, содержащий канал конечной длины внутри трубы, средство для организации потока частиц вещества в канале вдоль его оси,
токосъемники для снятия разноименных электрических зарядов, включающие токосъемник снятия зарядов с частиц вещества в виде экрана и токосъемник снятия зарядов с внутренней стенки канала, соединенный с потребителем на участке у входного отверстия [заявка RU 2006117750, опубл. 10.12.2007]. Материал внутренней стенки канала выбран таким образом, чтобы внутренняя стенка канала и частицы вещества приобретали разноименные электрические заряды при трении потока частиц вещества о внутреннюю стенку канала. В качестве материала внутренней стенки канала может использоваться диэлектрик, в
частности полимерный материал. Средство для организации потока частиц вещества может включать
бункер для хранения и подачи частиц вещества и средство подачи газа со взвесью в нем частиц вещества
во входное отверстие канала. Внутренняя поверхность канала подвержена механическому износу от соприкосновения с потоком частиц, особенно подвержен износу экран, выполняющий функцию второго
токосъемника, из-за удара о него частиц, вылетающих из выходного отверстия канала.
Сущность изобретения
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение - повышение срока
службы электростатического фрикционного генератора с подвижным элементом в виде потока частиц
вещества за счет снижения механического износа элементов генератора от соприкосновения с потоком
частиц вещества.
В основу изобретения был положен тот факт, что в процессе экспериментальных исследований с
известным электростатическим фрикционным генератором [заявка RU 2006117750, опубл. 10.12.2007],
выбранным в качестве прототипа, было обнаружено, что канал в виде трубы из диэлектрика поляризовался от воздействия потока частиц, проходящих по каналу, в направлении оси канала. Эффект такой
поляризации значительно усиливался при наведении магнитного поля внутри канала вдоль его оси. Таким образом, было выявлено, что второй токосъемник в виде экрана может быть исключен из конструкции, и второй токосъемник может располагаться непосредственно на участке у выходного отверстия
трубчатого канала. Кроме того, наведение магнитного поля внутри канала вдоль его оси стабилизировало
поток частиц в осевом направлении, что снизило механический износ внутренней поверхности канала.
На основе вышеописанных выявленных эффектов предлагается электростатический фрикционный
генератор, содержащий канал конечной длины внутри трубы из диэлектрического материала, имеющий
входное отверстие и выходное отверстие, средство для организации потока частиц вещества в канале
вдоль его оси от входного отверстия канала к выходному отверстию канала, где вещество выбрано так,
чтобы внутренняя стенка канала и частицы вещества приобретали разноименные электрические заряды
при прохождении частиц вещества через канал, первый токосъемник для снятия электрических зарядов
одного знака, размещенный на участке трубы у входного отверстия канала, и второй токосъемник для
снятия электрических зарядов другого знака, размещенный у выходного отверстия канала. Новым является то, что дополнительно имеется средство создания магнитного поля внутри канала вдоль его оси, а
второй токосъемник размещен на участке трубы у выходного отверстия канала.
В качестве диэлектрического материала трубы может использоваться материал, проницаемый для
магнитного поля, при этом средство создания магнитного поля выполняется в виде по крайней мере одного кольцевого магнитного элемента, размещенного соосно каналу на наружной поверхности трубы
между входным и выходным отверстиями канала. Например, в качестве такого кольцевого магнитного
-1-
012275
элемента может использоваться постоянный кольцевой магнит. Возможно использование для этих целей
электромагнита в виде электромагнитной обмотки, размещаемой на трубе. Возможно использование
двух или более кольцевых магнитных элементов, размещенных на наружной поверхности трубы так,
чтобы направление магнитного поля каждого кольцевого магнитного элемента вдоль оси канала совпадало.
Внутренняя поверхность канала может быть разделена на два или более участка определенной длины с помощью поперечных колец из диэлектрического материала, который не приобретает электрический заряд при прохождении частиц вещества через канал.
Далее настоящее изобретение будет пояснено более подробно на примере с использованием чертежа, на котором упрощенно представлен общий вид экспериментального электростатического фрикционного генератора. Стрелками на чертеже показаны направления входа и выхода потока газа со взвесью в
нем частиц вещества в канал генератора.
Сведения, подтверждающие возможность использования изобретения
Экспериментальный электростатический фрикционный генератор включает следующие элементы:
канал 1 внутри трубы 2 из полихлорвинила, имеющий входное отверстие 3 и выходное отверстие 4; первый токосъемник 5 и второй токосъемник 6, выполненные в виде медных колец, которые насажены на
трубу 2 с ее противоположных концов; несколько постоянных кольцевых магнитов 7, насаженных на
трубу 2 с определенным шагом так, чтобы полюс N магнитного поля каждого магнита, создаваемого
внутри канала 1, был направлен к входному отверстию 3, а полюс S - к выходному отверстию 4 соответственно; несколько втулок 8 из фторопласта, плотно и последовательно вставленных в трубу 2 с размещением между ними шайб 9 из резины, причем внутренние отверстия во втулках 8 и шайбах 9 имеют
одинаковый диаметр и образуют канал 1.
Дополнительно генератор оснащен средством для организации потока частиц вещества в канале 1
вдоль его оси от входного отверстия 3 к выходному отверстию 4, включающему бункер для хранения
частиц вещества и воздушный микрокомпрессор (не показаны). В качестве частиц вещества в ходе эксперимента использовался сухой кварцевый песок по ГОСТ 8735-88 с модулем крупности 1,0-1,3 и размером зерна 0,2-0,3 мм, который подавался из бункера по резиновой трубе во входное отверстие 3 с помощью воздушного микрокомпрессора вместе с потоком воздуха и возвращался обратно в бункер по резиновой трубе из выходного отверстия 4 через воздушный сепаратор (не показаны). Корпус бункера при
этом заземлялся.
Экспериментальный генератор работает следующим образом.
Зерна песка с помощью микрокомпрессора подаются в канал 1 через входное отверстие 3 и приобретают в канале 1 положительный заряд за счет взаимодействия с внутренней поверхностью втулок 8,
образующих канал 1. При этом сам материал втулок 8 и трубы 2 соответственно приобретает отрицательный заряд, а затем они поляризуются в направлении оси канала 1, при этом между первым токосъемником 5 и вторым токосъемником 6 возникает разность потенциалов. Длина втулок 8 подбирается
таким образом, чтобы зерна песка приобретали максимально возможный положительный заряд за время
прохождения канала внутри одной втулки 8 и разряжались в конце этой же втулки 8, увеличивая поляризацию втулок 8 и трубы 1. После прохождения канала 1 зерна песка выходят из него через выходное отверстие 4. Магниты 7 не только стабилизируют поток зерен песка в канале 1, снижая их трение о внутреннюю поверхность канала 1, но и способствуют большей поляризации втулок 8 и трубы 1 и, как следствие, увеличению разности потенциалов между токосъемниками 5 и 6. Например, при использовании
трубы 2 длиной 200 мм с наружным диаметром 20 мм, снабженной магнитами 7, расположенными с равным шагом 4-6 мм, втулок 8 с внутренним диаметром 8 мм, а также воздушного микрокомпрессора
мощностью 3 Вт, развивающего давление до 0,25 МПа, величина напряжения, снимаемого с токосъемников 5 и 6, составляла 2,0-2,5 кВ.
Вышеописанный генератор апробировался при работе с частицами других веществ и продемонстрировал возможность работы с кремнийсодержащим песком, порошками оксидов металлов и различных
минералов, с каплями красителей в воздушном потоке и другими частицами, способными приобретать
положительный электрический заряд при трении о полимерный материал типа полихлорвинила, полиэтилена, фторопласта и т.п.
Как и прототип [заявка RU 2006117750, опубл. 10.12.2007], предлагаемый генератор также может
включать бункер для хранения частиц вещества и средство подачи потока газа со взвесью в нем частиц
вещества во входное отверстие канала из бункера. Может быть предусмотрено и средство возврата потока газа со взвесью в нем частиц вещества в бункер из выходного отверстия канала для организации циркуляции частиц вещества. Канал может быть выполнен как с прямолинейной осью, так и с криволинейной. Поперечное сечение канала может быть постоянным или переменным по длине канала, иметь форму
круга или другую подходящую форму. Ось канала межет быть горизонтальной, вертикальной или наклонной, например, с расположением входного отверстия канала выше выходного отверстия канала для
использования силы тяжести при организации потока частиц в канале. Все эти и другие варианты осуществления настоящего изобретения могут быть осуществлены в рамках прилагаемой формулы.
Следует понимать, что приведенный выше пример использован только для целей иллюстрации ча-2-
012275
стного случая осуществления изобретения, он не ограничивает объем правовой охраны, представленный
в формуле, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен осуществить и
другие варианты осуществления изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Электростатический фрикционный генератор, содержащий канал конечной длины внутри трубы
из диэлектрического материала, имеющий входное отверстие и выходное отверстие, средство для организации потока частиц вещества в канале вдоль его оси от входного отверстия канала к выходному отверстию канала, где вещество выбрано так, чтобы внутренняя стенка канала и частицы вещества приобретали разноименные электрические заряды при прохождении частиц вещества через канал, первый токосъемник для снятия электрических зарядов одного знака, размещенный на участке трубы у входного
отверстия канала, и второй токосъемник для снятия электрических зарядов другого знака, размещенный
у выходного отверстия канала, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство создания магнитного поля внутри канала вдоль его оси, а второй токосъемник размещен на участке трубы у выходного отверстия канала.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического материала трубы использован материал, проницаемый для магнитного поля, а средство создания магнитного поля выполнено в
виде по крайней мере одного кольцевого магнитного элемента, размещенного соосно каналу на наружной поверхности трубы между входным и выходным отверстиями канала.
3. Генератор по п.2, отличающийся тем, что кольцевой магнитный элемент выполнен в виде постоянного кольцевого магнита.
4. Генератор по п.2, отличающийся тем, что включает два или более кольцевых магнитных элемента, размещенных на наружной поверхности трубы так, чтобы направление магнитного поля каждого
кольцевого магнитного элемента вдоль оси канала совпадало.
5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя стенка канала разделена на два или более
участка определенной длины с помощью радиальных колец из диэлектрического материала, который не
приобретает электрический заряд при прохождении частиц вещества через канал.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
-3-