RU2804697C1 - Device for producing nitrogen oxide - Google Patents
Device for producing nitrogen oxide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804697C1 RU2804697C1 RU2022113853A RU2022113853A RU2804697C1 RU 2804697 C1 RU2804697 C1 RU 2804697C1 RU 2022113853 A RU2022113853 A RU 2022113853A RU 2022113853 A RU2022113853 A RU 2022113853A RU 2804697 C1 RU2804697 C1 RU 2804697C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- voltage
- ultraviolet radiation
- discharge chamber
- electrodes
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к плазмохимии, в частности к получению окиси азота (NO) из атмосферного воздуха с помощью электрического разряда и может быть использовано в медицине (ингаляционная NO-терапия, кардиохирургия, а также терапия раневой, воспалительной, сосудистой и др. патологий), в научных исследованиях (экспериментальное моделирование физических процессов в верхних слоях атмосферы Земли), в биологии (воздействие NO на биологические объекты).The invention relates to plasma chemistry, in particular to the production of nitric oxide (NO) from atmospheric air using an electric discharge and can be used in medicine (inhaled NO therapy, cardiac surgery, as well as therapy for wound, inflammatory, vascular and other pathologies), in scientific research (experimental modeling of physical processes in the upper layers of the Earth's atmosphere), in biology (the impact of NO on biological objects).
Процесс окисления азота в плазме электрического разряда, в частности дугового и искрового разряда, находит широкое применение в науке, медицине [Plasma Chem Process (2016) 36: 737-766, IEEE Transactions of Plasma Science, Vol. 28, No. 1, February 2000] и промышленности. Преимуществами электроразрядных установок по сравнению с другими (например, химических, фотолитических) являются легкодоступные запасы сырья (атмосферный азот и кислород), надежность оборудования и возможность размещения электроразрядной установки в непосредственной близости от места применения NO-содержащей смеси.The process of nitrogen oxidation in electric discharge plasma, in particular arc and spark discharges, is widely used in science and medicine [Plasma Chem Process (2016) 36: 737-766, IEEE Transactions of Plasma Science, Vol. 28, No. 1, February 2000] and industry. The advantages of electric discharge installations over others (for example, chemical, photolytic) are easily accessible reserves of raw materials (atmospheric nitrogen and oxygen), equipment reliability and the possibility of placing the electric discharge installation in close proximity to the place of use of the NO-containing mixture.
Немаловажное свойство установок на основе импульсного разряда - возможность широкодиапазонного точного регулирования содержания окиси азота в выходном потоке, что является особо необходимым фактором в медицинских применениях, требующих возможность осуществления строго дозозависимой индивидуальной терапии [Nitric Oxide, 60 (2016) 16-23 и Nitric Oxide, 75 (2018) 70-76]. Известно устройство для формирования NO-содержащего газового потока авторов А.В. Пекшева, А.Б. Вагапова, С.В. Грачева и др. по описанию изобретения к патенту России [RU 2183474, А61М 11/00, опубл. 20.06.2002 г.].An important property of devices based on pulsed discharge is the possibility of wide-range precise control of the content of nitrogen oxide in the output stream, which is a particularly necessary factor in medical applications that require the ability to implement strictly dose-dependent individual therapy [Nitric Oxide, 60 (2016) 16-23 and Nitric Oxide, 75 (2018) 70-76]. A known device for the formation of NO-containing gas flow by the authors A.V. Peksheva, A.B. Vagapova, S.V. Gracheva and others according to the description of the invention to the Russian patent [RU 2183474,
Известное устройство включает разрядную камеру, два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода, размещенных внутри разрядной камеры таким образом, что между упомянутыми электродами имеется межэлектродное пространство, впускной и выпускной каналы, воздушный насос.The known device includes a discharge chamber, two high-voltage electrodes electrically isolated from each other, placed inside the discharge chamber in such a way that between the said electrodes there is an interelectrode space, inlet and outlet channels, and an air pump.
В известном устройстве атмосферный воздух через впускной канал подается насосом в разрядную камеру. Одновременно с подачей воздуха на упомянутые электроды подают постоянное напряжение порядка 400 В и с помощью инициатора формируют стационарный дуговой разряд, обеспечивая устойчивую генерацию в межэлектродном пространстве воздушной плазмы с температурой порядка 3700°С, оптимальной для осуществления в ней синтеза окиси азота в соответствии с плазмохимической реакцией N2+O2↔2NO.In the known device, atmospheric air is supplied by a pump through an inlet channel into the discharge chamber. Simultaneously with the supply of air, a constant voltage of about 400 V is applied to the mentioned electrodes and, with the help of an initiator, a stationary arc discharge is formed, ensuring stable generation of air plasma in the interelectrode space with a temperature of about 3700°C, optimal for the synthesis of nitric oxide in it in accordance with the plasma-chemical reaction N 2 +O 2 ↔2NO.
Из межэлектродного пространства NO-содержащий воздушно-плазменный поток с температурой порядка 3200°С поступает в выпускной канал, включающий камеру закалки, промежуточный и окончательный тракты охлаждения. В камере закалки происходит быстрое остывание (107-108 град/сек) газа до температуры порядка 1000°С, что обеспечивает фиксацию (закалку) окиси азота. Далее из камеры закалки газовый поток проходит через тракты промежуточного и окончательного охлаждения, в которых температура падает до 150°С и 30°С, соответственно. С выхода выпускного канала охлажденный NO-содержащий газ поступает к потребителю.From the interelectrode space, an NO-containing air-plasma flow with a temperature of about 3200°C enters the outlet channel, which includes a quenching chamber, intermediate and final cooling paths. In the quenching chamber, the gas rapidly cools (10 7 -10 8 deg/sec) to a temperature of about 1000°C, which ensures the fixation (quenching) of nitrogen oxide. Next, from the quenching chamber, the gas flow passes through the intermediate and final cooling paths, in which the temperature drops to 150°C and 30°C, respectively. From the outlet of the exhaust channel, the cooled NO-containing gas is supplied to the consumer.
Недостатком известного устройства является высокая рабочая температура газа. Это связано с тем, что в условиях дугового разряда параметры воздушной плазмы очень близки к равновесным (Тэл/Тгаз≈1), где Тэл - средняя температура электронов, Тгаз - средняя температура газа. Для подавления других продуктов электросинтеза (закиси и двуокиси азота, озона) и обеспечения эффективной наработки NO основная доля энергии должна расходоваться на разогрев плазмы в целом до температуры 3400-3700°С. При этом высокие тепловые нагрузки на элементы конструкции разрядной камеры и выпускного канала снижают надежность устройства.The disadvantage of the known device is the high operating temperature of the gas. This is due to the fact that under arc discharge conditions, the parameters of the air plasma are very close to equilibrium (T el / T gas ≈1), where T el is the average electron temperature, T gas is the average gas temperature. To suppress other products of electrosynthesis (nitrous oxide and nitrogen dioxide, ozone) and ensure efficient production of NO, the main share of energy should be spent on heating the plasma as a whole to a temperature of 3400-3700°C. At the same time, high thermal loads on the design elements of the discharge chamber and exhaust channel reduce the reliability of the device.
Кроме того, отвод тепла от упомянутых электродов и элементов выпускного канала осуществляется с помощью объединенной системы охлаждения, включающей множество встроенных каналов с высокотемпературными уплотнениями, что также снижает надежность.In addition, heat removal from said electrodes and exhaust channel elements is carried out using an integrated cooling system that includes many built-in channels with high temperature seals, which also reduces reliability.
Известно «Устройство для плазмохимического получения окиси азота» авторов R. Castor, Т. Hammer по описанию к патенту США [US 6955790 В2, B01J 19/08, опубл. 18.10.2005 г.] В известном устройстве синтез окиси азота осуществляется в плазме барьерного разряда (БР).It is known “Device for plasma-chemical production of nitric oxide” by the authors R. Castor, T. Hammer according to the description of the US patent [US 6955790 B2, B01J 19/08, publ. 10/18/2005] In a known device, the synthesis of nitric oxide is carried out in a barrier discharge (BD) plasma.
Известное устройство включает разрядную камеру, два электрически изолированных друг от друга коаксиальных высоковольтных электрода, размещенных внутри разрядной камеры таким образом, что между упомянутыми электродами имеется межэлектродное пространство, впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос, блок очистки.The known device includes a discharge chamber, two electrically isolated coaxial high-voltage electrodes placed inside the discharge chamber in such a way that between the said electrodes there is an interelectrode space, an inlet channel and at least one outlet channel, a gas filter, an air pump, and a cleaning unit.
В известном устройстве исходный газ, очищенный от механических примесей в газовом фильтре посредством насоса подается через теплообменник, термостатированный нагреватель и впускной канал в межэлектродное пространство разрядной камеры. При этом на упомянутые электроды подают высоковольтное переменное или импульсное знакопеременное напряжение с частотой выше 1 кГц и амплитудой, достаточной для электрического пробоя газового межэлектродного пространства. Наличие слоя диэлектрика (барьера) на внешнем электроде со стороны межэлектродного пространства обеспечивает пробой упомянутого пространства в виде последовательности групп короткоживущих (не более 100 наносекунд) микроразрядов, называемой барьерным разрядом [см. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во МГУ. 1989. 176 с.]. В БР средняя энергия электронов составляет порядка 3,5 эВ (Тэл/Тгаз>1) происходит эффективное образование О-атомов в результате диссоциации О2 электронным ударом. Сам же газ остается относительно холодным (порядка 100°С) и основным продуктом электросинтеза является озон (О3). Чтобы подавить процесс образования О3 и сместить баланс реакций в сторону активной наработки NO, подаваемый в разрядную камеру газ предварительно нагревают до 800°С. Из межэлектродного пространства NO-содержащий газовый поток со значительным количеством примеси NO2 (двуокись азота) поступает через выпускные каналы в блок очистки. Далее очищенный от NO2 газовый поток проходит через теплообменник и холодильник для промежуточного и окончательного охлаждения. Охлажденная до комнатной температуры NO-содержащая газовая смесь попадает в газоанализатор и направляется потребителю.In the known device, the source gas, purified from mechanical impurities in the gas filter by means of a pump, is supplied through a heat exchanger, a thermostated heater and an inlet channel into the interelectrode space of the discharge chamber. In this case, a high-voltage alternating or pulsed alternating voltage with a frequency above 1 kHz and an amplitude sufficient for electrical breakdown of the gas interelectrode space is supplied to the mentioned electrodes. The presence of a dielectric layer (barrier) on the outer electrode on the side of the interelectrode space ensures breakdown of the said space in the form of a sequence of groups of short-lived (no more than 100 nanoseconds) microdischarges, called a barrier discharge [see. Samoilovich V.G., Gibalov V.I., Kozlov K.V. Physical chemistry of barrier discharge. M.: Moscow State University Publishing House. 1989. 176 p.]. In BR, the average electron energy is about 3.5 eV (T el /T gas >1); effective formation of O atoms occurs as a result of dissociation of O 2 by electron impact. The gas itself remains relatively cold (about 100°C) and the main product of electrosynthesis is ozone (O 3 ). To suppress the process of O 3 formation and shift the balance of reactions towards the active production of NO, the gas supplied to the discharge chamber is preheated to 800°C. From the interelectrode space, an NO-containing gas flow with a significant amount of NO 2 impurity (nitrogen dioxide) enters through the outlet channels into the cleaning unit. Next, the gas stream purified from NO 2 passes through a heat exchanger and refrigerator for intermediate and final cooling. The NO-containing gas mixture, cooled to room temperature, enters the gas analyzer and is sent to the consumer.
Недостатком известного устройства является то, что один из высоковольтных электродов выполнен с диэлектрическим покрытием. Пробой газового промежутка при наличии диэлектрического барьера происходит в виде совокупности микроразрядов с характерным диаметром ~0,3 мм и плотностью тока в канале ~100 А/см2. При этом вдоль поверхности диэлектрика наблюдается резко неоднородное распределение токов. Эта неоднородность вызывает локальный перегрев, сильный градиент температур и механические напряжения, что ведет к снижению прочности диэлектрического барьера и, как следствие, уменьшает надежность.The disadvantage of the known device is that one of the high-voltage electrodes is made with a dielectric coating. Breakdown of the gas gap in the presence of a dielectric barrier occurs in the form of a set of microdischarges with a characteristic diameter of ~0.3 mm and a current density in the channel of ~100 A/cm 2 . In this case, a sharply inhomogeneous distribution of currents is observed along the surface of the dielectric. This heterogeneity causes local overheating, a strong temperature gradient and mechanical stress, which leads to a decrease in the strength of the dielectric barrier and, as a result, reduces reliability.
Другой недостаток известного устройства связан с тем, что при низких температурах большую роль играет реакция окисления NO+O3→NO2+O2, вследствие чего, из-за значительного количества озона, концентрация NO в БР не может достигать заметной величины. И только при температуре газа порядка 800°С концентрация O3 падает настолько, что создаются благоприятные условия для реакции N+O2→NO+O, обеспечивающую требуемую концентрацию NO. В результате известное устройство дополнительно содержит нагреватель исходной смеси, теплообменник и холодильник, уменьшающий температуру NO-содержащего газа до комнатной, что является недостатком, так как они усложняют конструкцию и снижают надежность устройства.Another disadvantage of the known device is related to the fact that at low temperatures the oxidation reaction NO+O 3 →NO 2 +O 2 plays an important role, as a result of which, due to a significant amount of ozone, the concentration of NO in the BR cannot reach a noticeable value. And only at a gas temperature of about 800°C does the O 3 concentration drop so much that favorable conditions are created for the reaction N+O 2 →NO+O, which provides the required NO concentration. As a result, the known device additionally contains a heater of the initial mixture, a heat exchanger and a refrigerator that reduces the temperature of the NO-containing gas to room temperature, which is a disadvantage, since they complicate the design and reduce the reliability of the device.
С технологической точки зрения для получения окиси азота привлекательны искровые разряды при давлении газа порядка атмосферного. По сравнению с БР в искровых разрядах, из-за более низкой средней энергии электронов (1-2 эВ), вполне эффективен механизм синтеза NO через колебательно-возбужденные состояния молекул азота N2 *, протекающий при низких температурах исходного газа (100-200°С). В частности, в разряде, возбуждаемым высоковольтными импульсами длительностью Тимп=1-10 мкс, можно добиться, чтобы средняя энергия электронов находилась в максимуме сечения колебательного возбуждения молекул азота N2, а удельный энерговклад превышал пороговое значение W=1 Вт/см3. В этих условиях превалируют элементарные реакции с участием атомов кислорода и колебательно-возбужденных молекул азота O+N2 *→NO+N, поскольку основная энергия быстро заселяемых колебательных уровней N2 направляется на реакцию синтеза окиси азота, а не на разогрев газа. В результате увеличивается максимально достижимая концентрация NO [см. под ред. Смирнова Б.М. Химия плазмы: Сб. статей. Вып. 5. М.: Атомиздат. 1978. С. 328].From a technological point of view, spark discharges at a gas pressure of the order of atmospheric pressure are attractive for producing nitrogen oxide. Compared to BR in spark discharges, due to the lower average electron energy (1-2 eV), the mechanism of NO synthesis through the vibrationally excited states of nitrogen molecules N 2 * , occurring at low temperatures of the source gas (100-200 ° WITH). In particular, in a discharge excited by high-voltage pulses with a duration T pulse = 1-10 μs, it is possible to ensure that the average electron energy is at the maximum cross section of the vibrational excitation of nitrogen molecules N 2 , and the specific energy input exceeds the threshold value W = 1 W/cm 3 . Under these conditions, elementary reactions with the participation of oxygen atoms and vibrationally excited nitrogen molecules O+N 2 * →NO+N prevail, since the main energy of the rapidly populated vibrational levels of N 2 is directed to the reaction of nitric oxide synthesis, and not to heating the gas. As a result, the maximum achievable NO concentration increases [see edited by Smirnova B.M. Plasma chemistry: Sat. articles. Vol. 5. M.: Atomizdat. 1978. P. 328].
Известен генератор окиси азота из воздуха автора W.M. Zapol по описанию к патенту США [US 5396882, А61М 11/00, опубл. 14.03.1995 г.]. Известное устройство содержит разрядную камеру, включающую два стержневых высоковольтных электрода, размещенных противоположно с образованием межэлектродного пространства, впускной и выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос, блок очистки, причем вход упомянутого насоса соединен с газовым фильтром, выход упомянутого насоса соединен с впускным каналом разрядной камеры, а вход упомянутого блока очистки соединен с выпускным каналом разрядной камеры.A known generator of nitric oxide from air by W.M. Zapol according to the description of the US patent [US 5396882,
В известном устройстве очищенный в фильтре исходный газ (воздух) подается насосом через впускной канал в разрядную камеру, включающую межэлектродное пространство. Под действием переменного напряжения промышленной частоты (50-60 Гц) между высоковольтными электродами образуется искровой разряд, в плазме которого синтезируются окись азота и некоторое количество других газов (озон, двуокись азота и др.). Для удаления нежелательных примесей газовая смесь выводится через выпускной канал в блок очистки. Очищенная NO-содержащая газовая смесь подается к потребителю.In the known device, the source gas (air) purified in the filter is supplied by a pump through the inlet channel into the discharge chamber, including the interelectrode space. Under the influence of alternating voltage of industrial frequency (50-60 Hz), a spark discharge is formed between the high-voltage electrodes, in the plasma of which nitrogen oxide and a certain amount of other gases (ozone, nitrogen dioxide, etc.) are synthesized. To remove unwanted impurities, the gas mixture is discharged through the outlet channel into the cleaning unit. The purified NO-containing gas mixture is supplied to the consumer.
В известном устройстве разряд возникает периодически (дважды за период промышленной частоты), причем его появление связано с достижением на упомянутых электродах напряжения пробоя межэлектродного пространства, а погасание соответствует моменту, когда напряжение становится меньше напряжения горения разряда.In the known device, the discharge occurs periodically (twice per period of industrial frequency), and its appearance is associated with the achievement of the breakdown voltage of the interelectrode space on the mentioned electrodes, and extinction corresponds to the moment when the voltage becomes less than the discharge voltage.
Из-за низкой частоты (50-60 Гц) питающей электросети пороговый удельный энерговклад (W/v>1) Дж/см3, где где W - энерговклад в импульсе, v - объемная скорость газового потока) в известном устройстве можно обеспечить, если каждый отдельный цуг обладает большим количеством энергии. Это является недостатком, так как приводит к чрезмерному тепловыделению вблизи поверхности электродов и сильной эрозии, что снижает надежность.Due to the low frequency (50-60 Hz) of the power supply network, the threshold specific energy input (W/v>1) J/cm 3 , where W is the energy input per pulse, v is the volumetric velocity of the gas flow) in a known device can be ensured if each individual train has a large amount of energy. This is a disadvantage as it leads to excessive heat generation near the surface of the electrodes and severe erosion, which reduces reliability.
Другим недостатком, снижающим надежность, является исполнение электродной системы в виде осесимметричной стержневой конструкции с поперечной продувкой, поскольку в этом случае имеет место привязка искровых каналов к острым кромкам электродов, локальный перегрев и эрозия.Another disadvantage that reduces reliability is the design of the electrode system in the form of an axisymmetric rod structure with transverse blowing, since in this case the spark channels are tied to the sharp edges of the electrodes, local overheating and erosion.
Следующий недостаток известного устройства - высокая нестабильность питания разряда. Это происходит вследствие того, что на межэлектродное пространство подается медленно нарастающее напряжение, и момент электрического пробоя имеет большой временной разброс. Так, что значительно меняющееся от импульса к импульсу величина напряжения пробоя межэлектродного пространства влечет колебания электрических параметров цуга (средний ток, энергия и т.д.). В частности, при слишком низких значениях напряжения пробоя величина удельного энерговлада может быть ниже пороговой величины 1 Дж/см3, что кратковременно нарушает указанный выше механизм синтеза окиси азота. При этом неизрасходованные атомы кислорода участвуют, в основном, в конкурирующей реакции синтеза озона. Деструкция этого нежелательного газа требует дополнительного оборудования, что снижает надежность.The next disadvantage of the known device is the high instability of the discharge power supply. This occurs due to the fact that a slowly increasing voltage is applied to the interelectrode space, and the moment of electrical breakdown has a large time scatter. So, the breakdown voltage of the interelectrode space, which changes significantly from pulse to pulse, entails fluctuations in the electrical parameters of the train (average current, energy, etc.). In particular, at too low breakdown voltages, the specific energy content may be below a threshold value of 1 J/cm 3 , which briefly disrupts the above mechanism of nitric oxide synthesis. In this case, unspent oxygen atoms participate mainly in the competing reaction of ozone synthesis. Destruction of this unwanted gas requires additional equipment, which reduces reliability.
Известен генератор окиси азота из воздуха автора Шу Сяо по описанию к патенту Китая [CN 201010523 (Y), С01В 21/24, опубл. 23.01.2008 г.]. Известное устройство содержит разрядную камеру, включающую по меньшей мере два высоковольтных электрода, размещенных противоположно с образованием межэлектродного пространства, впускной и выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос и дополнительно генератор импульсов напряжения, подключенный к высоковольтным электродам.A known generator of nitric oxide from air by the author Shu Xiao according to the description of the Chinese patent [CN 201010523 (Y), C01B 21/24, publ. 01/23/2008]. The known device contains a discharge chamber including at least two high-voltage electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump and, additionally, a voltage pulse generator connected to the high-voltage electrodes.
В известном устройстве очищенный в фильтре воздух подается насосом через впускной канал в разрядную камеру, включающую межэлектродное пространство. Под действием высокочастотного переменного напряжения генератора резонансного типа между высоковольтными электродами образуется непрерывный электрический разряд, в плазме которого синтезируются окись азота. Выходящая из выпускного канала NO-содержащая газовая смесь подается в медицинскую, технологическую или биологическую систему.In the known device, air purified in the filter is supplied by a pump through the inlet channel into the discharge chamber, which includes the interelectrode space. Under the influence of high-frequency alternating voltage from a resonant-type generator, a continuous electric discharge is formed between the high-voltage electrodes, in the plasma of which nitrogen oxide is synthesized. The NO-containing gas mixture leaving the outlet channel is supplied to a medical, technological or biological system.
В известном устройстве проблему эрозии высоковольтных электродов пытались решить за счет возможности регулирования частоты и величины протекающих через разряд переменного тока, обеспечивающих, с одной стороны, необходимое количество молекул окиси азота и, с другой стороны, приемлемый уровень эрозии.In the known device, they tried to solve the problem of erosion of high-voltage electrodes due to the ability to regulate the frequency and magnitude of alternating current flowing through the discharge, providing, on the one hand, the required number of nitrogen oxide molecules and, on the other hand, an acceptable level of erosion.
Недостаток такого подхода заключается в том, что существует узкий диапазон указанных выше параметров, которые позволяют формировать разряд с необходимым энерговкладом и непрерывно его поддерживать. Причем в случае низких расходов газа малые концентрации NO в известном устройстве получали за счет отвода из газового тракта большей части произведенного оксида азота с помощью дополнительного устройства, связанного с безопасным удалением NO-содержащего потока и его утилизации, что снижает надежность.The disadvantage of this approach is that there is a narrow range of the above parameters that make it possible to form a discharge with the required energy input and continuously maintain it. Moreover, in the case of low gas flow rates, low concentrations of NO in the known device were obtained due to the removal from the gas path of most of the produced nitrogen oxide using an additional device associated with the safe removal of the NO-containing stream and its utilization, which reduces reliability.
Известен генератор окиси азота из воздуха автора F.J. Montgomery и др. по описанию к патенту США [US 9573110 В2, С01В 21/24, опубл. 21.02.2017 г.] Известное устройство содержит разрядную камеру, включающую по меньшей мере два стержневых высоковольтных электрода, размещенных противоположно с образованием межэлектродного пространства, впускной и выпускной канал, газовый фильтр, воздушный насос и генератор импульсов напряжения, подключенный к высоковольтным электродам.A known generator of nitrogen oxide from air by F.J. Montgomery and others according to the description of the US patent [US 9573110 B2, C01B 21/24, publ. 02.21.2017] The known device contains a discharge chamber including at least two high-voltage rod electrodes placed oppositely to form an interelectrode space, an inlet and outlet channel, a gas filter, an air pump and a voltage pulse generator connected to the high-voltage electrodes.
В известном устройстве генератор импульсов напряжения работает в широтно-импульсном режиме (PWM) с кратковременным повышением напряжения на высоковольтных электродах в начале каждого импульса. Пиковые значение напряжения и тока достаточны для электрического пробоя воздушного межэлектродного пространства и возбуждения искрового разряда, в плазме которого стартуют физико-химические реакции образования окиси азота. Необходимое количество окиси азота устанавливают за счет возможности регулирования продолжительности импульса при сравнительно низких значениях напряжения и тока, что снижает износ высоковольтных электродов. Для обеспечения указанного алгоритма получения окиси азота, в известном устройстве используются две схемы питания, включаемые последовательно электронными ключами. При этом из-за переходных процессов в высоковольтной цепи суммирования ключи подвержены разрушительному воздействию кратковременных перенапряжений. Этот фактор является недостатком, снижающим надежность.In the known device, the voltage pulse generator operates in pulse width mode (PWM) with a short-term increase in voltage on the high-voltage electrodes at the beginning of each pulse. Peak values of voltage and current are sufficient for electrical breakdown of the air interelectrode space and initiation of a spark discharge, in the plasma of which physicochemical reactions of the formation of nitrogen oxide start. The required amount of nitrogen oxide is established due to the ability to regulate the pulse duration at relatively low voltage and current values, which reduces the wear of high-voltage electrodes. To ensure the specified algorithm for producing nitric oxide, the known device uses two power circuits connected in series with electronic keys. At the same time, due to transient processes in the high-voltage summation circuit, the switches are subject to the destructive effects of short-term overvoltages. This factor is a disadvantage that reduces reliability.
В известном устройстве в зависимости от требуемой величины концентрации окиси азота длительность электрического разряда изменяют в широких пределах 0,1-10 мс. Однако в условиях большой длительности разряда, даже при малых разрядных токах (менее 0,1 А), значительно поднимается температура газа в области соприкосновения плазмы с поверхности электродов, что снижает надежность вследствие их тепловой эрозии.In the known device, depending on the required concentration of nitrogen oxide, the duration of the electrical discharge is varied within a wide range of 0.1-10 ms. However, under conditions of long discharge duration, even at low discharge currents (less than 0.1 A), the gas temperature in the area of contact of the plasma with the surface of the electrodes rises significantly, which reduces reliability due to their thermal erosion.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является устройство для получения окиси азота из воздуха авторов С.Н. Буранов, В.И. Карелин, В.Д. Селемир, А.С. Ширшин по описанию к патенту России [RU 2553290 С1, С01В 21/24, С01В 21/32 опубл. 10.06.2015 г.], в котором раскрыт альтернативный подход к предотвращению износа высоковольтных электродов из-за высокоэнергетических дуговых (искровых) разрядов.The closest technical solution to the claimed invention is a device for obtaining nitrogen oxide from air by authors S.N. Buranov, V.I. Karelin, V.D. Selemir, A.S. Shirshin according to the description of the Russian patent [RU 2553290 C1, C01B 21/24, C01B 21/32 publ. 06/10/2015], which discloses an alternative approach to preventing wear of high-voltage electrodes due to high-energy arc (spark) discharges.
Известное устройство для получения окиси азота, включает цилиндрическую разрядную камеру, газовый фильтр, насос, блок очистки, высоковольтный генератор импульсов напряжения с регулируемой частотой следования импульсов, камера содержит два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода с межэлектродным пространством между ними, впускной и выпускной каналы, первый высоковольтный электрод выполнен в виде диска с центральным отверстием для впускного канала, установлен поперечно оси разрядной камеры, второй высоковольтный электрод установлен вдоль оси разрядной камеры, а высоковольтный генератор импульсов подключен к высоковольтным электродам.A known device for producing nitrogen oxide includes a cylindrical discharge chamber, a gas filter, a pump, a purification unit, a high-voltage voltage pulse generator with an adjustable pulse repetition rate, the chamber contains two electrically isolated high-voltage electrodes with an interelectrode space between them, an inlet and an outlet channel , the first high-voltage electrode is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel, installed transversely to the axis of the discharge chamber, the second high-voltage electrode is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator is connected to the high-voltage electrodes.
Авторами для электросинтеза окиси азота использовались периодические импульсы микросекундной длительности с регулируемой частотой следования f, которые возбуждали искровой разряд в воздушном потоке между дисковым электродом и полукольцевым проволочным электродом, при этом воздух вводился в разрядную камеру вдоль ее центральной оси через отверстие в дисковом электроде.For the electrosynthesis of nitrogen oxide, the authors used periodic pulses of microsecond duration with an adjustable repetition frequency f, which excited a spark discharge in the air flow between a disk electrode and a semi-ring wire electrode, while air was introduced into the discharge chamber along its central axis through a hole in the disk electrode.
Основанием такого выбора явилось то, что в вышеуказанных условиях возможны устойчивые комбинации параметров импульсно-периодического разряда (напряжение, ток, диаметр канала разряда) и скорости газового потока через центральное отверстие в электроде, обеспечивающие в широком диапазоне f условие W/v>1 Дж/см3, определяющее эффективное образования NO в реакции O+N2 *→NO+N с участием колебательно-возбужденных молекул азота N2 *. При этом скорость реакции синтеза озона, конкурирующей с ней была значительно меньше, так что наличие О3 в выходном потоке фактически не наблюдалось, что повысило надежность (озон как сильный окислитель во многих применениях - нежелательная примесь). Кроме того, с одной стороны, удалось не допустить сжатия (контракции) канала разряда и, с другой стороны, обеспечили активное перемещение его ярко светящейся части по поверхности электродов, что уменьшило тепловую эрозию последних и повысило надежность.The basis for this choice was that under the above conditions, stable combinations of the parameters of a pulse-periodic discharge (voltage, current, diameter of the discharge channel) and the gas flow rate through the central hole in the electrode are possible, providing in a wide range f the condition W/v>1 J/ cm 3 , which determines the effective formation of NO in the reaction O+N 2 * →NO+N with the participation of vibrationally excited nitrogen molecules N 2 * . At the same time, the rate of the ozone synthesis reaction, which competed with it, was significantly lower, so that the presence of O 3 in the output stream was virtually not observed, which increased reliability (ozone, as a strong oxidizing agent in many applications, is an undesirable impurity). In addition, on the one hand, it was possible to prevent compression (contraction) of the discharge channel and, on the other hand, they ensured the active movement of its brightly luminous part along the surface of the electrodes, which reduced the thermal erosion of the latter and increased reliability.
В известном устройстве, из-за малой длительности импульсов питания, было очень важно обеспечить стабильное время запаздывания пробоя td в пределах времени нарастания импульса напряжения на электродах (~3 мкс). В свою очередь, td состоит из суммы статистического времени tc, необходимого для образования в должной области промежутка хотя бы одного начального (стартового) электрона и времени tf, в течение которого этот электрон способен осуществить пробой. Поскольку при атмосферном давлении (р~760 торр) и межэлектродном промежутке (d~0,3 см) первое слагаемое существенно больше второго, то основное внимание уделялось уменьшению времени tc. Эта проблема решалась использованием промежутка с резко неоднородной геометрией электрического поля вблизи проволочного электрода с малым радиусом кривизны (~0,25 мм). Здесь, из-за высокой напряженности поля опережающим образом протекают ионизационные процессы, увеличивающие начальный эмиссионный ток электронов, выходящих из диэлектрических пленок, которые изначально присутствуют на поверхности проволочки, что уменьшило статистическое время запаздывания tc до приемлемого значения.In the known device, due to the short duration of the power pulses, it was very important to ensure a stable breakdown delay time t d within the rise time of the voltage pulse on the electrodes (~3 μs). In turn, t d consists of the sum of the statistical time t c required for the formation of at least one initial (starting) electron in the required region of the gap and the time t f during which this electron is capable of carrying out a breakdown. Since at atmospheric pressure (p~760 Torr) and the interelectrode gap (d~0.3 cm) the first term is significantly larger than the second, the main attention was paid to reducing the time t c . This problem was solved by using a gap with a sharply non-uniform electric field geometry near a wire electrode with a small radius of curvature (~0.25 mm). Here, due to the high field strength, ionization processes occur in an advanced manner, increasing the initial emission current of electrons emerging from the dielectric films that are initially present on the surface of the wire, which reduced the statistical delay time t c to an acceptable value.
Однако под действием плазмы разряда часть пленок может испаряться, что влечет за собой увеличение интервала времени td. В случае превышения последним длительности импульсов питания неминуемо произойдет сбой в формировании запланированного разряда и, соответственно, процесса электросинтеза окиси азота. Это обстоятельство является недостатком, снижающим надежность устройства.However, under the action of the discharge plasma, some of the films can evaporate, which entails an increase in the time interval td . If the latter exceeds the duration of the power pulses, a failure will inevitably occur in the formation of the planned discharge and, accordingly, the process of electrosynthesis of nitric oxide. This circumstance is a disadvantage that reduces the reliability of the device.
Недостатком является также конструкция одного из электродов, выполненного из нержавеющей проволоки диаметром 0,5 мм. Данный электрод не может эффективно охлаждаться посредством теплопередачи в области крепления в силу его малого сечения. Поэтому при повышении мощности разряда возникает перегрев его центральной области, что снижает надежность.Another disadvantage is the design of one of the electrodes, made of stainless wire with a diameter of 0.5 mm. This electrode cannot be effectively cooled by heat transfer in the mounting area due to its small cross-section. Therefore, when the discharge power increases, overheating of its central region occurs, which reduces reliability.
Следующий недостаток является следствием установки воздушного насоса перед входом разрядной камеры. Случайное передавливание (уменьшение поперечного сечения) газового тракта вызывает увеличение давления в разрядной камере, переход горения разряда в режим сжатого (контрагированного) канала при практически неизменной величине тока, что повышает термическую эрозию электродов и снижает надежность.The next disadvantage is a consequence of installing an air pump in front of the discharge chamber entrance. Accidental compression (reduction of the cross-section) of the gas path causes an increase in pressure in the discharge chamber, transition of the discharge combustion to the compressed (contracted) channel mode with an almost constant current value, which increases thermal erosion of the electrodes and reduces reliability.
При создании заявляемого изобретения решалась задача создания устройства для получения под действием импульсно-периодического разряда в потоке газа контролируемого точного количества окиси азота (концентрация NO).When creating the claimed invention, the problem was solved of creating a device for obtaining, under the action of a pulsed-periodic discharge in a gas flow, a controlled, precise amount of nitrogen oxide (NO concentration).
Техническим результатом при решении данной задачи явилось повышение надежности устройства.The technical result of solving this problem was to increase the reliability of the device.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения окиси азота, включающим цилиндрическую разрядную камеру, газовый фильтр, насос, блок очистки, высоковольтный генератор импульсов напряжения с регулируемой частотой следования импульсов, камера содержит два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода с межэлектродным пространством между ними, впускной и выпускной каналы, первый высоковольтный электрод выполнен в виде диска с центральным отверстием для впускного канала, установлен поперечно оси разрядной камеры, второй высоковольтный электрод установлен вдоль оси разрядной камеры, а высоковольтный генератор импульсов подключен к высоковольтным электродам, новым является то, что второй высоковольтный электрод выполнен в виде сектора диска со скошенной под углом α острой кромкой и с боковым отверстием для выпускного канала, устройство снабжено источником ультрафиолетового излучения для подсветки острой кромки второго электрода, при этом спектральный диапазон ультрафиолетового излучения выбран из условия получения фотоэлектронной эмиссии λ≤1240/А, где А - работа выхода из материала электродов, эВ, λ - длина волны ультрафиолетового излучения, нм, а величина угла α выбрана из условия подсветки первого электрода УФ-излучением, отраженным от скошенной кромки второго электрода, причем выход газового фильтра соединен с впускным каналом, выпускной канал соединен с входом насоса, выход которого соединен с входом блока очистки.This technical result is achieved by the fact that, in comparison with the known device for producing nitrogen oxide, which includes a cylindrical discharge chamber, a gas filter, a pump, a cleaning unit, a high-voltage voltage pulse generator with an adjustable pulse repetition rate, the chamber contains two high-voltage electrodes electrically isolated from each other with an interelectrode space between them, inlet and outlet channels, the first high-voltage electrode is made in the form of a disk with a central hole for the inlet channel, installed transversely to the axis of the discharge chamber, the second high-voltage electrode is installed along the axis of the discharge chamber, and the high-voltage pulse generator is connected to the high-voltage electrodes, new is that the second high-voltage electrode is made in the form of a disk sector with a sharp edge beveled at an angle α and with a side hole for the outlet channel, the device is equipped with a source of ultraviolet radiation to illuminate the sharp edge of the second electrode, and the spectral range of ultraviolet radiation is selected from the condition of obtaining photoelectronic emission λ≤1240/A, where A is the work function of the electrode material, eV, λ is the wavelength of ultraviolet radiation, nm, and the angle α is selected from the condition of illuminating the first electrode with UV radiation reflected from the beveled edge of the second electrode, and the output the gas filter is connected to the inlet channel, the outlet channel is connected to the inlet of the pump, the output of which is connected to the inlet of the cleaning unit.
Также источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе ультрафиолетового светодиода.Also, the ultraviolet radiation source is made on the basis of an ultraviolet LED.
Также источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе газоразрядной кварцевой лампы.Also, the source of ultraviolet radiation is made on the basis of a gas-discharge quartz lamp.
Также источник ультрафиолетового излучения позволяет формировать коллимированный пучок.Also, the source of ultraviolet radiation allows the formation of a collimated beam.
Также источник ультрафиолетового излучения позволяет формировать сходящийся пучок, фокус которого находится на пересечении оси разрядной камеры с краем острой кромки.Also, the ultraviolet radiation source makes it possible to form a converging beam, the focus of which is at the intersection of the axis of the discharge chamber with the edge of the sharp edge.
В заявляемом устройстве используется источник ультрафиолетового излучения для прямой подсветки второго электрода и подсветки первого электрода светом, отраженным от скошенной под соответствующим углом поверхности второго электрода. При этом фотоны обладают энергией выше работы выхода (А) из материала электродов (условие λ≤1240/А), что вызывает однофотонный фотоэффект. По сравнению с эмиссионным механизмом поставки электронов из пленок в приэлектродные области, фотоэффект производит электроны более стабильно и в большем количестве. Фотоэлектроны накапливаются около электродов заблаговременно с малым временем tc, еще вначале фронта высоковольтного импульса. Здесь к моменту максимальной скорости нарастания напряжения значительный фотоэлектронный ток, усиленный электронными лавинами, образует перекрывающий промежуток плазменный канал с высокой проводимостью. Время формирования высоко проводящего канала (пробоя) tf при атмосферном давлении составляет не более 0,1 мксек [Месяц Г.А., Успехи физических наук, октябрь 2006, Том 176, №10, стр. 1069-1091]. Поэтому время запаздывания пробоя td не превышает длительность фронта в любом из высоковольтных импульсов в серии, начиная с первого, что влечет за собой стабилизацию величины среднего тока, вложенную за время импульса энергию (Р) и удельный энерговклад W/v=P⋅f/v. В результате под действием серии импульсов напряжения в широком диапазоне f обеспечивается условие W/v>1 Дж/см3, определяющее эффективное образования NO в реакции O+N2 *→NO+N с участием колебательно-возбужденных молекул азота N2 *, что повышает надежность.The inventive device uses a source of ultraviolet radiation to directly illuminate the second electrode and illuminate the first electrode with light reflected from the surface of the second electrode beveled at an appropriate angle. In this case, photons have an energy higher than the work function (A) from the electrode material (condition λ≤1240/A), which causes a single-photon photoelectric effect. Compared to the emission mechanism of supplying electrons from films to near-electrode regions, the photoelectric effect produces electrons more stably and in greater quantities. Photoelectrons accumulate near the electrodes in advance with a short time t c , even at the beginning of the front of the high-voltage pulse. Here, at the moment of the maximum rate of voltage rise, a significant photoelectron current, amplified by electron avalanches, forms a plasma channel with high conductivity spanning the gap. The formation time of a highly conductive channel (breakdown) t f at atmospheric pressure is no more than 0.1 μs [Mesyats G.A., Advances in Physical Sciences, October 2006, Volume 176, No. 10, pp. 1069-1091]. Therefore, the breakdown delay time t d does not exceed the duration of the front in any of the high-voltage pulses in the series, starting from the first, which entails stabilization of the average current value, the energy deposited during the pulse (P) and the specific energy contribution W/v=P⋅f/ v. As a result, under the action of a series of voltage pulses in a wide range of f, the condition W/v>1 J/cm 3 is ensured, which determines the effective formation of NO in the reaction O+N 2 * →NO+N with the participation of vibrationally excited nitrogen molecules N 2 * , which increases reliability.
В микросекундных разрядах атмосферного давления (р~760 торр) при коротких промежутках (d~0,3 см) реализуется известный таунсендовский механизм формирования достаточно широкого плазменного канала с умеренным энерговыделением в области примыкания последнего к поверхности электродов. Воздушный насос установлен после выхода разрядной камеры, в результате чего обеспечивает прохождение газовой смеси через межэлектродный промежуток при давлении не выше атмосферного, причем в широком диапазоне изменений сопротивления газового тракта на выходе устройства. При указанном давлении, в импульсно-периодическом разряде микросекундной длительности не успевают развиться неустойчивости, приводящие к существенному сужению (контракции) плазменного канала, увеличению удельного энерговыделения и тепловой эрозии электродов, что повышает надежность.In microsecond discharges of atmospheric pressure (p~760 torr) at short intervals (d~0.3 cm), the well-known Townsend mechanism of formation of a fairly wide plasma channel with moderate energy release in the area where the latter adjoins the surface of the electrodes is realized. The air pump is installed after the exit of the discharge chamber, as a result of which it ensures the passage of the gas mixture through the interelectrode gap at a pressure not higher than atmospheric, and in a wide range of changes in the resistance of the gas path at the outlet of the device. At the specified pressure, in a pulse-periodic discharge of microsecond duration, instabilities do not have time to develop, leading to a significant narrowing (contraction) of the plasma channel, an increase in the specific energy release and thermal erosion of the electrodes, which increases reliability.
Конструкция второго электрода, выполненного в виде сектора диска с встроенным выпускным каналом, позволяет его интенсивно охлаждать посредством теплопередачи в области крепления в силу его большего сечения и потоком газа, пропускаемым через выпускной канал. Поэтому при повышении мощности разряда имеет место эффективный отвод тепла от его центральной области, что увеличивает надежность.The design of the second electrode, made in the form of a disk sector with a built-in outlet channel, allows it to be intensively cooled through heat transfer in the mounting area due to its larger cross-section and the gas flow passed through the outlet channel. Therefore, as the discharge power increases, heat is effectively removed from its central region, which increases reliability.
УФ-излучение вводится со стороны боковой стенки разрядной камеры и обеспечивает размещение источника света на достаточном большом расстоянии от высоковольтных электродов, что защищает источник от электрического пробоя и повышает надежность.UV radiation is introduced from the side wall of the discharge chamber and ensures that the light source is placed at a sufficiently large distance from the high-voltage electrodes, which protects the source from electrical breakdown and increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен на основе импульсной газоразрядной лампы, дающей вспышки излучения очень высокой яркости при миллисекундных длительностях. Это увеличивает величину эмиссионного тока фотоэлектронов в области около электродов и обеспечивает пробой межэлектродного промежутка на фронте импульсов напряжения микросекундных длительностей, что повышает надежность.In addition, the source of ultraviolet radiation can be made on the basis of a pulsed gas-discharge lamp, which produces flashes of very high brightness radiation with millisecond durations. This increases the magnitude of the emission current of photoelectrons in the area near the electrodes and ensures breakdown of the interelectrode gap at the front of voltage pulses of microsecond duration, which increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен на основе ультрафиолетового светодиода, имеющим низкое значение напряжения питания (≤8 В), большой срок службы (~20 тысяч часов), практически мгновенную готовность к работе, что повышает надежность.In addition, the ultraviolet radiation source can be made on the basis of an ultraviolet LED, which has a low supply voltage (≤8 V), a long service life (~20 thousand hours), and almost instant readiness for operation, which increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен с формированием коллимированного пучка, диаметр которого согласован с размерами межэлектродного промежутка. Теперь длина промежутка не является критическим параметром, определяющим эффективность пробоя, что повышает надежность.In addition, the source of ultraviolet radiation can be designed to form a collimated beam, the diameter of which is consistent with the dimensions of the interelectrode gap. Now the length of the gap is not a critical parameter that determines the effectiveness of the breakdown, which increases reliability.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть выполнен с фокусированием пучка в область пересечения оси разрядной камеры с краем острой кромки второго электрода. Увеличение электрического заряда фотоэлектронов в области с максимальной напряженностью электрического поля уменьшает временной разброс задержки времени пробоя, что повышает надежность.In addition, the source of ultraviolet radiation can be configured to focus the beam into the area where the axis of the discharge chamber intersects with the edge of the sharp edge of the second electrode. Increasing the electrical charge of photoelectrons in the region with the maximum electric field strength reduces the time spread of the breakdown time delay, which increases reliability.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства для получения окиси азота, где:In fig. Figure 1 shows a block diagram of the proposed device for producing nitric oxide, where:
1 - разрядная камера, 2 - межэлектродное пространство, 3 - первый высоковольтный электрод, 4 - впускной канал, 5 - второй высоковольтный электрод, 6 - выпускной канал, 7 - газовый фильтр, 8 - воздушный насос, 9 - блок очистки, 10 - высоковольтный генератор импульсов напряжения, 11 - источник ультрафиолетового (УФ) излучения, 12 - пучок.1 - discharge chamber, 2 - interelectrode space, 3 - first high-voltage electrode, 4 - inlet channel, 5 - second high-voltage electrode, 6 - outlet channel, 7 - gas filter, 8 - air pump, 9 - cleaning unit, 10 - high-voltage voltage pulse generator, 11 - source of ultraviolet (UV) radiation, 12 - beam.
На фиг. 2 представлена структурная схема заявляемого устройства для получения окиси азота в примере наилучшего осуществления, где:In fig. 2 shows a block diagram of the proposed device for producing nitric oxide in an example of the best implementation, where:
1 - разрядная камера, 2 - межэлектродное пространство, 3 - первый высоковольтный электрод, 4 - впускной канал, 5 - второй высоковольтный электрод, 6 - выпускной канал, 7 - газовый фильтр, 8 - насос, 9 - блок очистки, 10 - высоковольтный генератор импульсов напряжения, 11 - источник ультрафиолетового (УФ) излучения (ультрафиолетовый диод), 12 - пучок, 13 - дыхательный (терапевтический) контур, 14 - блок мониторинга NO и NO2, 15 - нейтрализатор.1 - discharge chamber, 2 - interelectrode space, 3 - first high-voltage electrode, 4 - inlet channel, 5 - second high-voltage electrode, 6 - outlet channel, 7 - gas filter, 8 - pump, 9 - cleaning unit, 10 - high-voltage generator voltage pulses, 11 - source of ultraviolet (UV) radiation (ultraviolet diode), 12 - beam, 13 - breathing (therapeutic) circuit, 14 - NO and NO 2 monitoring unit, 15 - neutralizer.
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные газовый фильтр 7, разрядную камеру 1, насос 8, блок очистки 9, высоковольтный генератор 10 импульсов напряжения с регулируемой частотой следования f. При этом разрядная камера 1 содержит два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода 3,5 с межэлектродным пространством 2 между ними, впускной 4 и выпускной 6 каналы, первый высоковольтный электрод 3 выполнен в виде диска с центральным отверстием для впускного 4 канала, установлен перпендикулярно оси разрядной камеры, второй высоковольтный электрод 5 установлен вдоль оси разрядной камеры, а высоковольтный генератор импульсов 10 подключен к высоковольтным электродам 3,5.The inventive device contains a series-connected
Кроме того, в заявляемом устройстве второй высоковольтный электрод 5 выполнен в виде сектора диска толщиной 3-5 мм с боковым отверстием для выпускного канала 6 и со скошенной под углом α~45°±5° острой кромкой, в направлении которой направлен пучок 12 ультрафиолетового излучения источника 11, установленным поперечно оси разрядной камеры. Причем спектральный диапазон ультрафиолетового излучения выбирается из условия получения фотоэлектронной эмиссии λ≤1240/А, где А - работа выхода из материала электродов, эВ, λ - длина волны ультрафиолетового излучения, нм. Величина угла α выбрана из условия подсветки первого электрода УФ-излучением, отраженным от скошенной кромки второго электрода. При этом выход газового фильтра 7 соединен с впускным каналом 4, выпускной канал 6 соединен с входом насоса 8, выход которого соединен с входом блока очистки 9.In addition, in the inventive device, the second high-
Дополнительно в заявляемом устройстве источник ультрафиолетового излучения 11 может быть выполнен на основе ультрафиолетового светодиода или газоразрядной кварцевой лампы. Причем источник ультрафиолетового излучения 11 может формировать коллимированный (параллельный) пучок или сходящийся пучок, фокус которого находится на пересечении оси разрядной камеры с краем острой кромки.Additionally, in the inventive device, the
Разрядная камера 1, выполненная из полиамида с внутренним диаметром 18 мм включает два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода 3, 5, изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Первый из упомянутых электродов 3 выполнен в виде диска. Второй из упомянутых электродов 5 выполнен в виде сектора, вырезанного из диска толщиной 3 мм (угол при вершине - 30°).
В центре дискового электрода 3 имеется отверстие диаметром 1,5 мм для впускного канала 4. Ближе к основанию секторного электрода 5 имеется боковое отверстие диаметром 1,5 мм для выпускного канала 6. Длина межэлектродного пространства 2 между электродами 3 и 5 составляет 3 мм. Кромка секторного электрода 5 скошена под углом α=45° и является острой с радиусом не более 0,1 мм. Напротив скошенной кромки в корпусе разрядной камеры 1 выполнено отверстие для ввода пучка 12 ультрафиолетового излучения источника 11. Угол ввода между оптической осью пучка 12 и осью симметрии разрядной камеры составляет 90°. Длина волны излучения источника удовлетворяет условию прямой (однофотонной) фотоэлектронной эмиссии из нержавеющей стали λ≤288 нм (А=4,31 эВ, см. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов: Справочник. Издание 3. Киев: Наукова думка. 1970. С. 20). Разрядная камера предназначена для электросинтеза окиси азота в потоке проходящего через пространство 2 воздуха под действием высоковольтных импульсов, подаваемых на упомянутые электроды 3 и 5 с контролем искрообразования ультрафиолетовым излучением.In the center of the
Газовый фильтр 7 представляет собой магистральный фильтр или микрофильтр. Может быть выполнен также в виде их последовательной модульной сборки. Магистральный фильтр предназначен для удаления из воздуха твердых частиц размером свыше 5 мкм, а также водяного и масляного конденсата. Эффективность водоотделения 99%. Принцип действия основан на эффекте слияния мелких капель в более крупные в фильтрующем элементе. Образовавшиеся крупные капли стекают на дно резервуара со встроенным устройством автоматического отвода конденсата. Микрофильтр удаляет твердые частицы размером свыше 0,3 мкм. Содержание масла на его выходе не более 1 мг/м3.
В качестве воздушного насоса 8 применяется компрессор, в процессе работы, в том числе непрерывной, не вносящий масляных загрязнений в пневмомагистраль. Производительность компрессора до 1 л/мин при свободном течении газа. Детали компрессора, контактирующие с перекачиваемой средой, выполнены из устойчивых к коррозии материалов: нержавеющая сталь, дюралюминий, компаунд PTFE. Компрессор предназначен для перекачки нейтральных и слабоагрессивных газов в медицинской, лабораторной и аналитической аппаратуре.A compressor is used as an
В качестве блока очистки 9 использовалась натронная известь, включающая 96% гидроксида кальция и 4% гидроксида натрия (в пересчете на сухое вещество). Блок очистки 9 предназначен для очистки выходящего из разрядной камеры 3 NO-содержащего потока от двуокиси азота.Soda lime containing 96% calcium hydroxide and 4% sodium hydroxide (on a dry matter basis) was used as
Назначением генератора высоковольтных импульсов 10 является генерация импульсов питания разрядной камеры 1 с задаваемой частотой следования f. Упомянутый высоковольтный генератор 10 вырабатывает импульсы чередующейся полярности с амплитудой до 12 кВ и длительностью до 4 мкс (на полувысоте импульса) с помощью резонансного инвертора тока, выполненного по известной мостовой схеме на IGBT-транзисторах IRG4IBC20UD со встроенными обратными диодами (см. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко Н.Н., Шевченко Н.Н Высокочастотные транзисторные преобразователи. - М: Радио и связь. - 1988. - С. 228).The purpose of the high-
Работает заявляемое устройство следующим образом.The inventive device operates as follows.
Включают газовый насос 8. В газовом фильтре 7 производится очистка от загрязнений атмосферного воздуха. Тонкость фильтрации, эффективность отделения масла и воды соответствуют требуемому классу в зависимости от назначения установки. Безмасляный насос 8 прокачивает воздух через разрядную камеру 1, включая межэлектродное пространство 2. При этом, из-за отрицательного перепада давления между выходным 6 и входным 4 каналом газовое давление в разрядной камере 1 немного ниже атмосферного. Практически одновременно активируют высоковольтный генератор импульсов напряжения 10 и УФ-источник 11 с длиной волны λ≤288 нм (реально, УФ-источник - чуть раньше), облучающий прямым пучком второй электрод и отраженным пучком - первый электрод. Интервал длительности УФ-излучения такой, что в него обязательно попадает несколько (3-5) импульсов напряжения, следующих даже с минимально возможной частотой из задаваемого диапазона регулирования f. На самом деле мощности излучения с энергией квантов более 4,31 эВ достаточно, чтобы уже в течение фронта первого же из серии импульсов создать в области электродов 3, 5 необходимое количество начальных (стартовых) фотоэлектронов, вызывающих пробой межэлектродного пространства 2. Преднамеренный выбор завышенной длительности излучения предотвращает возможность срыва электросинтеза в подаваемой серии импульсов напряжения, если все-таки в первом импульсе пробой не реализуется, что дополнительно повышает надежность.The
Генератор высоковольтных импульсов 10 в процессе образования искровых разрядов осуществляет резонансную передачу энергии. По достижении на электродах 3, 5 пробойного напряжения и зажигания искрового разряда высоковольтный генератор производит вложение энергии в плазму разряда. В начальной стадии пробоя, из-за высокой напряженности электрического поля происходит диссоциация кислорода и перевод молекул азота в возбужденное состояние, дающие начало реакциям синтеза окиси азота. Однако разряд атмосферного давления, формируемый и протекающий при высоких напряженностях поля, неустойчив - он стремится перейти в другие типы разряда. В заявляемом устройстве, для предотвращения перехода искровых разрядов в низкоэффективный по синтезу NO, зато активно испаряющий электроды дуговой режим горения, на электроды подают импульсы микросекундной длительности. Причем - чередующейся полярности, чтобы избежать излишнего накопления зарядов одного знака у каждого из электродов, добиться более однородного тепловыделения по длине искрового разряда и снизить тепловую нагрузку на электроды, что дополнительно повышает надежность. После спада величины напряжения ниже порога горения, неиспользованная в импульсе часть энергии, возвращается в высоковольтный генератор и используется в следующем цикле.The high-
Частота повторения f импульсов определяет концентрацию NO в газовом потоке. Верхняя граница диапазона fмакс составляет примерно 10 кГц и определяется характеристическим временем реакции Т=10-4 сек образования молекул NO за счет наработанных колебательно-возбужденных молекул азота: fмакс<1/T. При превышении fмакс частотное регулирование становится малоэффективным из-за сильной нелинейности. Нижняя граница диапазона fмин определяется параметром удельного энерговклада W/v=Pмакс⋅fмин/v>1 Дж/см3, требуемым для осуществления реакции электросинтеза NO в искровом разряде O+N2 *→NO+N с участием колебательно-возбужденных молекул азота N2 *. Скорость этой реакции выше скорости конкурирующей с ней реакции синтеза озона O2+O+М→O3+М, где М - любая молекула или атом. Основная часть вложенной в разряд энергии тратится на синтез NO. Поэтому поддержание удельного энерговклада выше упомянутой границы обеспечивает практическое отсутствие озона на выходе разрядной камеры, что дополнительно повышает надежность.The pulse repetition frequency f determines the NO concentration in the gas stream. The upper limit of the f max range is approximately 10 kHz and is determined by the characteristic reaction time T = 10 -4 sec for the formation of NO molecules due to the accumulated vibrationally excited nitrogen molecules: f max <1/T. When f max is exceeded, frequency regulation becomes ineffective due to strong nonlinearity. The lower limit of the range f min is determined by the specific energy input parameter W/v=P max ⋅f min /v>1 J/cm 3 required to carry out the reaction of electrosynthesis of NO in a spark discharge O+N 2 * →NO+N with the participation of vibrationally excited nitrogen molecules N 2 * . The speed of this reaction is higher than the speed of the competing ozone synthesis reaction O 2 + O + M → O 3 + M, where M is any molecule or atom. The main part of the energy invested in the discharge is spent on NO synthesis. Therefore, maintaining the specific energy input above the mentioned limit ensures the virtual absence of ozone at the output of the discharge chamber, which further increases reliability.
Таким образом, под действием импульсного напряжения в межэлектродном пространстве 2, образованном дисковым электродом 3 и секторным электродом 5 формируют искровые разряды, в плазме которых происходит синтез окиси азота и некоторого количества других окислов азота (например, диоксида азота). Исходный газ поступает в разрядную камеру 3 через впускной канал 4 в центре дискового электрода 3. NO-содержащая смесь через выпускной канал 6 в секторном электроде 5 выводят насосом 8 в блок очистки 9. Далее очищенный от ненужного диоксида азота (NO2) NO - содержащий газовый поток направляют на выход.Thus, under the influence of a pulse voltage, spark discharges are formed in the
В настоящее время за рубежом и в России окись азота для ингаляций получают химическим синтезом на стационарных станциях. Малый срок хранения NO, сложная логистика и высокая стоимость ограничивают доступность NO-терапии. Заявляемое устройство может внести существенный вклад в решение клинических и технических задач повышения эффективности лечения и обеспечения надежности NO-производящей аппаратуры. Это будет понятно из следующего описания и приложенного к нему рисунка (Фиг. 2).Currently, abroad and in Russia, nitric oxide for inhalation is produced by chemical synthesis at stationary stations. The short shelf life of NO, complex logistics and high cost limit the availability of NO therapy. The inventive device can make a significant contribution to solving clinical and technical problems of increasing the effectiveness of treatment and ensuring the reliability of NO-producing equipment. This will be clear from the following description and the accompanying drawing (Fig. 2).
В предлагаемом варианте исполнения выход блока очистки 9 подключен к одному из входов дыхательного (терапевтического) контура 13, к другому входу которого подключен выход аппарата ИВЛ (или любого другого источника основной дыхательной смеси), один из выходов дыхательного контура 13 соединен с пациентом, другой выход дыхательного контура 13 соединен с входом блока мониторинга 14 NO и NO2, выход которого подключен к входу нейтрализатора 15, при этом источник ультрафиолетового излучения выполнен на основе ультрафиолетового диода 11 с длиной волны излучения равной λ=280 нм и коллимированным пучком 12 излучения диаметром порядка 8 мм, захватывающим всю длину промежутка 2 и ширину скошенной кромки второго электрода.In the proposed embodiment, the output of the
Дыхательный контур 13 служит для получения и передачи потока лечебной NO-смеси, удовлетворяющим минутный объем дыхания пациента. Подключения к блоку очистки 9 и блоку мониторинга 14 производятся с помощью разъемных соединений типа Луер-Лок.Breathing
Блок мониторинга 14 предназначен для измерения массовых концентраций окиси азота, двуокиси азота, скорости газового потока и сигнализирует о появлении двуокиси и окиси азота с концентрацией выше допустимой величины. Калибровка измерительных датчиков - автоматическая. Результаты измерений выводятся на буквенно-цифровой дисплей. На передней панели блока размещена клавиатура для управления мониторингом, получения дополнительной информации и задания порогов срабатывания аварийной сигнализации.The
Нейтрализатор 15 предназначен для очистки газовой пробы от NO и NO2 после проведения мониторинга. Нейтрализатор представляет собой двухкомпонентный адсорбционно-каталитический деструктор. Для адсорбции NO2 используется блок очистки на основе гидроксида кальция. Для нейтрализации NO применяется каталитический способ разложения. Концентрация NO и NO2 в газовой смеси на выходе из нейтрализатора не превышает ПДК по ГОСТ 12.1.005. ПДК NO2=2 мг/м3 (1,05 ppm). ПДК NO=5 мг/м3 (4,01 ppm).
По представленной на фиг. 2 схеме, работа осуществляется следующим образом. Включают блок мониторинга 14 и аппарат ИВЛ, при вдохе создающий основной поток через дыхательный контур 13. Скорость основного потока задают в зависимости от минутного объема дыхания. Далее NO-содержащий воздух подают в дыхательный контур. В контуре окись азота смешивается с основным дыхательным потоком, который подается от аппарата ИВЛ. Перед пациентом (маской пациента) из дыхательного контура забирают пробу для анализа, который осуществляется электрохимическими датчиками NO и NO2 в блоке мониторинга 14. Влияние подачи NO-содержащего воздуха на исходный поток дыхательной смеси сведено к минимуму за счет согласования объемной скорости потока, подаваемого в дыхательный контур, и потока, забираемого на анализ. После мониторинга газовая смесь проходит очистку от нитрозных газов в нейтрализаторе 15.As shown in FIG. 2 diagram, the work is carried out as follows. The
Следует отметить, что при проведении терапии мониторинг концентрации NO и NO2 в дыхательном контуре осуществляется в непрерывном режиме. Для предотвращения опасности перекрестного заражения на линии подачи NO и линии мониторинга NO и NO2 установлены вирусо-бактериальные гидрофобные фильтры (на фиг. 2 не показаны).It should be noted that during therapy, monitoring the concentrations of NO and NO2 in the breathing circuit is carried out in continuous mode. To prevent the risk of cross contamination in the NO supply line and NO and NO monitoring line2 Viral-bacterial hydrophobic filters are installed (not shown in Fig. 2).
В представленном на фиг. 2 варианте исполнения были получены следующие основные технические характеристики.In the one shown in FIG. In
Концентрацию окиси азота в дыхательном контуре регулировали от 1 до 100 ppm при изменении частоты следования импульсов генератора высоковольтных импульсов от 50 до 5000 Гц и скорости основного дыхательного потока от 1,5 до 20 л/мин. При этом объемный расход NO-содержащего воздуха, подаваемого в дыхательный контур равнялся около 0,5 л/мин. Шаг во всем диапазоне регулирования концентрации NO составил 1 ppm. В выходном потоке дыхательного тракта отсутствовал озон (с точностью 0,01 ppm). При испытании заявляемого устройства в режиме максимальной производительности в течение 900 часов (из них 10 дней непрерывной работы) значения вышеуказанных параметров концентрации NO не вышли за пределы ±20%, глубина плазменной эрозии дискового электрода не превысила 0,05 мм, а секторного электрода - 0,15 мм, что позволило создать возможность для надежной доставки NO-содержащей смеси пациенту, даже при длительной терапии.The concentration of nitric oxide in the breathing circuit was adjusted from 1 to 100 ppm by changing the pulse repetition rate of the high-voltage pulse generator from 50 to 5000 Hz and the speed of the main respiratory flow from 1.5 to 20 l/min. In this case, the volumetric flow rate of NO-containing air supplied to the breathing circuit was about 0.5 l/min. The step across the entire NO concentration control range was 1 ppm. There was no ozone in the respiratory tract outlet stream (with an accuracy of 0.01 ppm). When testing the proposed device in maximum performance mode for 900 hours (of which 10 days of continuous operation), the values of the above parameters of NO concentration did not go beyond ±20%, the depth of plasma erosion of the disk electrode did not exceed 0.05 mm, and the sector electrode - 0 , 15 mm, which made it possible to reliably deliver an NO-containing mixture to the patient, even during long-term therapy.
Медицинский аппарат с заявляемым устройством для получения окиси азота прошел технические испытания и клинические испытания у 55-ти взрослых пациентов.A medical device with the claimed device for producing nitric oxide has undergone technical tests and clinical trials in 55 adult patients.
Результаты продемонстрировали клиническую эффективность терапии и высокую надежность примененного аппарата, генерирующего окись азота из окружающего воздуха, в том числе в сравнении с традиционной терапией, использующей аппаратуру с подачей NO-содержащего газа из 150-ти атмосферного баллона.The results demonstrated the clinical effectiveness of the therapy and the high reliability of the device used, which generates nitric oxide from ambient air, including in comparison with traditional therapy using equipment supplying NO-containing gas from a 150-atmospheric cylinder.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2804697C1 true RU2804697C1 (en) | 2023-10-03 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4953814B2 (en) * | 2004-02-25 | 2012-06-13 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Ozone generator and ozone generation method |
| RU2553290C1 (en) * | 2014-01-23 | 2015-06-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Nitrogen oxide generator system |
| RU2555659C2 (en) * | 2013-11-12 | 2015-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина" | Air ozoniser |
| RU2642798C1 (en) * | 2017-02-20 | 2018-01-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Discharge camera for plasma chemical reactions |
| RU2677323C1 (en) * | 2018-02-26 | 2019-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ПлазЭйр" | Plasma air activator |
| RU2719992C1 (en) * | 2017-02-27 | 2020-04-23 | Сёрд Поул, Инк. | Systems and methods of producing nitrogen oxide in outpatient conditions |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4953814B2 (en) * | 2004-02-25 | 2012-06-13 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Ozone generator and ozone generation method |
| RU2555659C2 (en) * | 2013-11-12 | 2015-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина" | Air ozoniser |
| RU2553290C1 (en) * | 2014-01-23 | 2015-06-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Nitrogen oxide generator system |
| RU2642798C1 (en) * | 2017-02-20 | 2018-01-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Discharge camera for plasma chemical reactions |
| RU2719992C1 (en) * | 2017-02-27 | 2020-04-23 | Сёрд Поул, Инк. | Systems and methods of producing nitrogen oxide in outpatient conditions |
| RU2677323C1 (en) * | 2018-02-26 | 2019-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ПлазЭйр" | Plasma air activator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Anpilov et al. | Electric discharge in water as a source of UV radiation, ozone and hydrogen peroxide | |
| JP4677530B2 (en) | Plasma generating apparatus and plasma generating method | |
| JP4953814B2 (en) | Ozone generator and ozone generation method | |
| KR101553587B1 (en) | Apparatus and method for cleaning air | |
| Sretenovic et al. | Spectroscopic study of low-frequency helium DBD plasma jet | |
| JP4378592B2 (en) | Control method of discharge generator | |
| WO2016117259A1 (en) | Water treatment device and water treatment method | |
| Soloshenko et al. | The component content of active particles in a plasma-chemical reactor based on volume barrier discharge | |
| RU2804697C1 (en) | Device for producing nitrogen oxide | |
| Hnatiuc et al. | A review over the cold plasma reactors and their applications | |
| WO2023075629A1 (en) | Device for producing nitric oxide | |
| Du et al. | Electrical and spectral characteristics of a hybrid gliding arc discharge in air–water | |
| RU2677323C1 (en) | Plasma air activator | |
| RU2553290C1 (en) | Nitrogen oxide generator system | |
| TR2024004880T2 (en) | DEVICE FOR PRODUCING NITRIC OXIDE | |
| WO2013183300A1 (en) | Apparatus and method for processing gas | |
| Nascimento et al. | Optical measurements of an atmospheric pressure microplasma jet aiming surface treatment | |
| CN114189972A (en) | Stable plasma discharge device, control method and system | |
| RU2642798C1 (en) | Discharge camera for plasma chemical reactions | |
| Ahmed et al. | Measurement of electron temperature and number density and their effects on reactive species formation in a dc underwater capillary discharge | |
| Buda et al. | Pulsed atmospheric-pressure DBD plasma produced in small-diameter tubes | |
| Guerra-Mutis et al. | Glow plasma jet—experimental study of a transferred atmospheric pressure glow discharge | |
| RU2071816C1 (en) | Method of cleaning air from organic impurities | |
| Arkhipenko et al. | MECHANISMS UNDERLYING THE FORMATION OF IN ACTIVATION COMPONENTS OF AN AIR DC PLASMA JET | |
| Arkhipenko et al. | INACTIVATION COMPONENTS PRODUCTION MECHANISMS OF AN AIR DC PLASMA JET |