Устройство для разрушения твердых диэлектрических и полупроводящих материалов

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ОПИ АН ИЗОБРЕТЕН К ПАТЕН димирович; Ростовскийов Вадим ВадимовичРАЗРУШЕНИЯ ТВЕРЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДЯпьстве и горнои и(46) 30.1193 Бюл. Мд 43 (76) Жученко Сергей Вла Николай Сергеевич; Сурк(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯДЫХ ДИЭЙЕКТРИЧЩИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: в ст(В) Кб (11) (51) Я Е 21 С 37 18 мышленности. Сущность изобретения: между электродами, подключенными через коммутатор к генератору импульсных напряжений и к генератору импульсных токов, введены токопроводящие вставки, число которых и расстояния между ними удовлетворяют расчетной зависимости. Рабочие концы вставок имеют рапичную конфигурацию. Вставки выполнены в виде штырей, насыпными или жидкостными. 8 зп,ф-лы, 1 ил.Изобретение относится к области строительных работ в части создания устройств для разрушения твердых диэлектрических и полупроводящих материалов и может быть использовано для разрушения и дробления негабаритов, для снятия дорожных покрытий, а также в горнодобывающей промышленности.Известно устройство для разрушения твердых диэлектрических и полупроводящих материалов, расположенное в изоляционном корпусе, снабженное высоковольтным электродом и заземленным сетчатым вибрирующим электродом, при этом последний выполнен из неподвижной и вибрирующей частей, разделенных упругим элементом ЯНедостатком известного устройства является то, что разрушаемый материал должен быть внесен в камеру устройства, что сужает диапазон его применения.Также известно устройство для разрушения твердых диэлектрических и.полупроводящих материалов, являющееся наиболее близким к описываемому, содержащее рабочие игольчатые электроды, связанные через коммутатор с генератором импульсных напряжений (ГИН) и генератором импульсных токов (ГИТ) 2).Недостатком данного устройства являются большая энергоемкость, малый объем одномоментно разрушаемого материала, соответствующий величине межэлектродного промежутка,Целью изобретения является уменьшение удельных энергозатрат при разрушении твердых диэлектрических и полупроводящих материалов в больших объемах с одновременным уменьшением времени разрушения,Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для разрушения твердых диэлектрических и полупроводящих материалов, содержащем рабочие электроды, связанные через коммутатор с ГИН и ГИТ, согласно изобретению, между рабочими электродами введены и токопроводящих вставок, предназначенных для размещения их в разрушаемом материале, при этом число и вставок определено из соотношения:О я+1Оо П .) и +1 1) где О - напряжение пробоя между электродами;Оо - расчетное напряжение пробоя между электродами без вставок;б - расстояние между рабочими электродами;55 При получении формулы (1) учитывалось, что, как известно, вероятность Р пробоя слоя диэлектрика толщины б зависит от приложенного к нему напряжения О следующим образом (см. Г,А,Воробьев, Физика б - расстояние между рабочими концами двух ближайших вставок;а- эмпирический коэффициент, учитывающий свойства разрушаемого материалаи форму электродов а =0,250,55.Вставки могут быть выполнены в видеметаллических штырей. рабочие концы которых могут иметь остроконечную или многоигольчатую формы.10 Вставки могут быть выполнены насыпными, например, в виде дроби, металлического порошка или опилок,Вставки могут быть выполнены жидкостными.В устройстве между электродами могутбыть введены изолированные направляющие, в которых изолированно закрепленыупомянутые вставки, которые могут бытьрасположены относительно направляющихна одинаковом расстоянии или на разныхрасстояниях, соответствующих требуемойповерхности откола разрушаемого материала,Анализ патентоспособности предложения показал, что оно является новым, поскольку неизвестно заявителю из уровнятехники, имеет изобретательский уровень,поскольку явным образом не следует изуровня техники и является промышленно30 применимым, т,к. может быть использованов строительной, горнодобывающей промышленностях и других отраслях народногохозяйства, то есть является охраноспособным техническим решением,На чертеже представлено .устройстводля разрушения твердых диэлектрических иполупроводящих материалов с различнымивариантами. выполнения вставок.Устройство содержит рабочие электро 40 ды 1, 2, связанные через коммутатор 3 сгенератором 4 импульсных напряжений игенератором 5 импульсных токов. Коммутатор 3, ГИН 4 и ГИТ 5 имеют блоки питанияи управления (на чертеже не показаны).Между рабочими электродами 1 и 2 введеныи токопроводящих вставок 6, предназначенных для размещения в разрушаемом материале 7. Число вставок 6 определено изсоотношения (1), которое получено на осно 50 вании теоретических и экспериментальныхисследований ряда разрушаемых материалов, таких как бетон, тяжелый и пенобетоны, кварциты, граниты и др.2003802 ты высоковольтной части установки, что повышает ее экономичность.Возможность варьирования размещения рабочих концов вставок по различным траекториям позволяет формировать различные поверхности откола разрушаемого материала.Вариантность выполнения вставок как по форме рабочих концов, так и по материалу вставок. позволяет адаптировать устройство к конкретным реальным задачам разрушения и типам разрушаемого материала, что расширяет диапазон применимости устройства,П р и м е р 1. Разрушаемый материал; бетон; межэлектродный промежуток 12 см. В отсутствии вставок(по прототипу) пробивное напряжение Оо равнялось 94 кВ,После введения в межэлектродный промежуток одной вставки (число вставок получено из соотношения (1 - 0 о=65 кВ Формула изобретения 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ПОЛУ- ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее рабочие электроды, связанные через коммутатор с генератором импульсных напряжений и генератором импульсных токов, отличающееся тем, что устройство снабжено токопроводящими вставками, которые введены между электродами для размещения в разрушаемом материале, при этом число токопроводящих вставок рассчитывается из соотношенияи+1 ц В Г 1,д и+1б" где и - число токопроводящих вставок;0 - напряжение пробоя между рабочимиэлектродами;Оо - расчетное напряжение пробоя между рабочими электродами без вставок;б - расстояние между рабочими электродами;б - расстояние между двумя рабочимиконцами ближайших вставок;а - безразмерный эмпирический коэффициент, учитывающий свойства разрушаемого материала и форму электродов.2. Устройство по п,1, отличающееся тем, что токопроводящие вставки выполнены в виде металлических штырей,П р и м е р 2. Для 0=94 кВ для того жематериала, бетон(исходные данныепрототипа) после введения 3 вставок, обеспечен пробой на межэлектродном проме 5 жутке 32 см.Таким образом, описанное устройствонайдет широкое применение в строительстве, например, для разрушения старых фундаментов, стенок, перегородок,10 негабаритных железобетонных изделий,снятия старых дорожных покрытий, а такженайдет широкое применение в горнодобывающей промышленности, поскольку емуприсущи отсутствие вибрации, пылевых вы 15 бросов, низкий уровень шумов, Устройствоявляется экологически чистым,(56) Авторское свидетельство СССРМ 845843, кл, В 02 С 19/18, 1973.20 Авторское свидетельство СССРйг 162796, кл. Е 21 С 37/18, 1958. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что рабочие концы токопроводящих вставок имеют остроконечную форму,4, Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что рабочие концы токопроводящих вставок имеют многоигольчатую форму,5, Устройство по п,1, отличающееся тем, что токопроводящие вставки выполнены насыпными, например, в виде дроби, металиесого порока или опило,6. Устройство по п.1, отличающеесятем, что токопроводящие вставки выполнены жидкостными,40 7, Устройство по пп.1 - 6, отличающееся тем, что токопроводящие вставки закреплены в изолированныхнаправляющих, размещенных между электродами,45 8, Устройство по п,7, отличающееся тем, что рабочие концы токопроводящих вставок расположены относительно направляющих на одинаковом расстоянии. 9. Устройство по п,7, отличающеесятем, что рабочие концы токопроводящих вставок расположены на разных расстоя ниях от направляющих в соответствии стребуемой поверхностью откола разрушаемого материала, 200380251015 20 25 30 35 40 45 50 диэлектриков, область сильных полей, Томск, 1977, с. 177);р, рудр)д г) где А, а, Р - эмпирические параметры, величины которых зависят от формы электродов и свойств разрушаемого вещества.Вероятность Р развития канала пробоя от первого рабочего электрода до ближайшей вставки и далее последовательно от вставки к вставке вплоть до достижения им второго рабочего, электрода определяется по известным формулам теории вероятнои+1сти как Р=П Рь Откуда, пренебрегая падением напряжения в канале пробоя по сравнению с величиной напряжения пробоя и учитывая (2), получают для напряжения полного пробоя с вероятностью пробоя Р выражение и+1О=ДР ДВР("+" (П а)" +" (3) Задаваясь необходимостью реализации полного пробоя между рабочими электродами в подавляющем числе случаев в рабочих условиях, получают из(3) при Р = 1 величину напряжения пробоя О в виде соотношения (1), гдеОо=д б, А=20 - 60 кВ/смВставки 6 могут быть выполнены в виде металлических штырей, рабочие концы которых могут иметь остроконечную (на чертеке в качестве примера дан рабочий конец 8) или многоигольчатую (позиция 9) формы. Вставки могут быть выполнены насыпным (позиция 10) в виде дроби, металлического порошка или опилок, Вставки могут быть выполнены жидкостными (позиция 11). В устройстве между электродами могут быть введены изолированные направляющие 12, в которых изолированно закреплены вставки б. При этом рабочие концы вставки 6 могут быть расположены относительно направляющих на одинаковом расстоянии(помещены в разрушаемый материал 7 на одинаковую глубину) или на разных расстояниях, соответствующих требуемой поверхности откола (на чертеже показана пунктирной пинией) разрушаемого материала 7.Устройство работает следующим образом.К разрушаемому материалу на границах предполагаемой зоны разрушения подводят рабочие электроды 1 и 2, Между электродами в разрушаемый материал помещают токопроводящие вставки б, число и которых и расстояние между которыми определены по зависимости (1), Глубина расположения рабочих концов токопроводящих вставок и их форма определяются конкретной задачей разрушения материала (дробление, откол по заданной поверхности и др.),На рабочие электроды 1, 2 с помощью коммутатора 3 подаются импульсы высокого напряжения от ГИН. С помощью высоковольтных импульсов в материале 7 последовательно от одного из рабочих электродов, например 1, создается токопроводящий канал к рабочему концу 8, затем 9, затем 10 и т.д. вставок б и к электроду 2, В результате пробоя в токопроводящем канале в среде по сравнению с ее первоначальным сопротивлением последнее уменьшается на несколько порядков. За счет того, что в межэлектродном промежутке установлено выбранное число л вставок с расстояниями б между рабочими концами вставок, определенными по зависимости(1), в межэлектродном промежутке создана заданная неоднородность электрического поля, обеспечивающая непрерывное развитие стримеров, возникающих из электронных лавин в разрядном промежутке и создающих упомянутые токопроводящие каналы. После образования токопроводящего канала, замыкающего электроды 1 и 2 с помощью коммутатора 3 (по сигналу с блока управления, за время, не превышающее время релаксации электропроводности каналов), на электроды 1 и 2 подается импульс тока большой амплитуды от ГИТ 5 для выделения в образовавшихся каналах энергии, запасенной в ГИТ и разрушающей материал.Описанное устройство по сравнению с прототипом позволяет осуществлять разрушение материалов в естественных условиях: на строительных площадках, горнодобь 1 вающих карьерах, шахтах и т.д, (в прототипе - объект разрушения должен быть помещен в камеру устройства, заполненную жидкостью), при этом габариты одномоментно разрушаемого объема материала многократно превышают одномоментно разрушаемый объем в прототипе,Удельные энергозатраты на разрушение с помощью описанного устройства существенно ниже, чем в прототипе, поскольку высока плотность энергии в канале пробоя, практически отсутствуют тепловые потери в образце и отсутствуют характерные для прототипа празитные утечки тока через жидкость.Наличие вставок, снижающих по сравнению с прототипом величину пробивного напряжения, позволяет уменьшить габари