способ предотвращения образования зарядов статического электричества и устройство для его осуществления

предложение относится к области защиты от статического электричества, а именно к предотвращению образования зарядов статического электричества путем управляемой ионизации воздушной среды радиоизотопными источниками и подачи ее в виде потока ионизированного воздуха к поверхности материалов, на поверхностях которых могут накапливаться заряды статического электричества. предложение может быть использовано в различных отраслях промышленности, в которых технологические процессы переработки различных материалов сопровождаются их электризацией, например, в легкой промышленности, целлюлозно-бумажной, полиграфической, промышленности полупроводников и других.

известен способ нейтрализации зарядов статического электричества индукционного типа, осуществляемый в устройствах, включающих металлические или непроводящие стержни, на которых укреплены заземленные острия или тонкие проволоки, которые располагаются вблизи наэлектризованного тела на расстоянии 5 - 10 мм. электрическое поле создается у электродов-стержней с зарядами наэлектризованного материала. вблизи острия образуется электрическое поле высокой напряженности (тлеющий разряд), под действием которого образуются ионы, при этом противоположные заряду наэлектризованного тела знака устремляются к его поверхности и нейтрализуют в значительной мере его электрический заряд. примерами устройств для осуществления этого способа является нейтрализатор зарядов статического электричества [1], термоиндукционный нейтрализатор [2]. недостатками способа являются необходимость специальной защиты обслуживающего персонала от случайного прикосновения к электродам, нейтрализация зарядов электростатического электричества только в непосредственной близости от устройства, что требует установки большого количества нейтрализаторов на протяжении нейтрализуемых поверхностей, например, конвейеров, сравнительно высокие затраты электроэнергии, пожароопасность, взрывоопасность и

образование электромагнитных полей, которые нарушают работу прецизионного оборудования и вычислительной техники, стекание заряженных металлизированных частиц с игл электродов, что не допустимо в помещениях с требованиями особой чистоты. известен способ нейтрализации зарядов статического электричества путем создания коронного разряда электродами, находящимися под высоким напряжением повышающего трансформатора. положительные ионы, образованные вблизи коронирующих электродов, направляются на отрицательно заряженный материал-диэлектрик, нейтрализуя его электростатический заряд. примерами устройств для осуществления этих способов являются нейтрализатор зарядов статического электричества [3], [4], [5], устройство для отвода статического электричества [6], способ отвода статического электричества и устройство для его осуществления [7]. недостатком этого способа является высокая пожароопасность и взрывоопасность вследствие того, что коронный разряд является источником открытого электрического разряда, сравнительно большие затраты электроэнергии, образование большого количества электростатически заряженных металлизированных частиц, которые стекают с острых концов электродов по силовым линиям поля на окружающие материалы и предметы. кроме этого, коронный разряд образует большое количество озона, который может окислять материал нейтрализуемых поверхностей, образовывать окислы азота и, тем самым, негативно сказываться на санитарно-гигиеническом состоянии рабочих помещений с пребыванием людей. более того, при коронном разряде возникают электромагнитные поля, которые могут нарушать работу прецизионного оборудования и вычислительной техники, обслуживающей производственные процессы.

известен способ нейтрализации статического электричества, заключающийся в ионизации воздушной среды радиоизотопными источниками и подаче ионизированной среды к поверхности заряженного тела. примером устройств для осуществления способа являются устройство для снятия электростатического заряда с поверхности [8], [9], [10], [11],

[12], [13], [14], [15], [16], [17]. недостатком этого способа является необходимость размещения большого количества нейтрализаторов по всей длине/площади обрабатываемой поверхности для эффективной нейтрализации зарядов статического электричества в зоне пребывания рабочего персонала, отсутствие управления количеством образующихся ионов вследствие использования природных радиоизотопов. основным недостатком указанных способов является нарушение коэффициента униполярности ионизированного воздуха, т.к. ионы одного знака, находящиеся в воздухе, нейтрализуют ионы другого знака, находящиеся на поверхности тел, при этом в воздухе остаются ионы того знака, которым до нейтрализации было заряжено тело и эти ионы оседают на нейтральную поверхность тела, вновь электризуя его.

известен способ ионизации воздуха для нейтрализации статического электричества, осуществляемый ионизатором для съема статического электричества путем подачи ионизированного воздуха, не содержащего пыли [18], включающим камеру, в которой размещен источник ионизации части газа, переносящего ионы, который подается в камеру ионизации, а также вытяжная часть камеры, которая подает газ, содержащий ионы к телу, на котором необходимо нейтрализовать заряды статического электричества. ионизационная часть включает источник ионизации, который находится в камере, а также устройство управления, которое соединено с источником ионизации посредством высоковольтного кабеля. в качестве источника ионизации используются либо мягкое рентгеновское излучение, либо устройство для генерирования электронного пучка низких энергий или устройство ультрафиолетовой излучения. устройство управления, соединительная часть между устройством управления и высоковольтным кабелем изготовлены из взрывобезопасного материала. основным недостатком устройства является применение высокого напряжения (несколько десятков киловольт) для управления ионизацией воздуха и использование вредных проникающих излучений (рентгеновские лучи, электронные пучки), что требует специальной защиты устройства. при этом, на небольшом расстоянии от устройства происходит рекомбинация

положительных и отрицательных ионов, что существенно снижает эффективность нейтрализации зарядов электростатического электричества вследствие того, что управление в данном способе осуществляется не количеством ионов и коэффициентом их униполярности, а скоростью подачи полученных ионов в помещение.

известен способ, осуществляемый в нейтрализаторе статического электричества [19] и устройстве для ионизации потока воздуха [20], которые включают источники альфа-частиц, расположенные внутри воздуховода для ионизации воздуха, вентилятор, расположенный снаружи или внутри воздуховода для подачи воздуха через воздуховод к обрабатываемой поверхности и находящееся вне воздуховода устройство для поляризации металлического воздуховода для нейтрализации ионов ненужной полярности из потока ионизированного воздуха при прохождении потока воздуха по металлическому воздуховоду. основным недостатком способа является низкая эффективность нейтрализации зарядов статического электричества вследствие того, что при «бoмбapдиpoвкe» молекул воздуха альфа-частицами образуются в основном положительные ионы и «oблaкo» свободных электронов, при этом отрицательные ионы образуются в очень малом количестве, т.к. для образования отрицательных ионов нужно определенные условия соотношения энергии свободных электронов и молекул газов воздуха (кислорода, азота и др.). таким образом, с помощью этих устройство трудно обеспечить обогащение воздуха отрицательными ионами. в случае обогащения воздуха положительными ионами, корпус металлического воздуховода заряжен положительно, но кинетическая энергия свободных электронов должна быть намного меньше энергии электростатического притяжения электронов к положительно заряженному металлическому корпусу. в противном случае наличие свободных электронов и положительных ионов приведет к быстрой рекомбинации электронов с положительными ионами после выхода ионизированного воздуха из воздуховода. кроме этого, подача на металлический корпус устройств постоянного напряжения 500-1000 в требует устройства дополнительной

электрозащиты устройств и невозможность применения способа в помещениях с соблюдением требований взрывобезопасности и пожаробезопасности.

таблица. недостатки устройств - аналогов

иллюстрация недостаток

а) при расстановке источников альфа- частиц в ячейках проводящей оболочки, выбитые из молекул электроны сбиваются по оси ячеек вследствие действия на них сил отталкивания отрицательно заряженной оболочки. электроны смогут взаимодействовать с

заземление небольшим количеством молекул, находящихся по оси ячеек. при этом положительные ионы будут пролетать достаточно большое расстояние (см. рис. д) до стекания на оболочку. т.о. повышается вероятность рекомбинации электронов и положительных ионов, а эффективного образования отрицательных ионов не будет. более того, после вылета из ячеек ионы и свободные электроны сбиваются в один пучок, где рекомбинируют.

б) при расстановке источников альфа-частиц по периметру альфа- частицы, «бoмбapдиpyя» молекулы воздуха сбивают их к оси

заменяющий лист (правило 26)

заменяющий лист (правило 26)

наиболее близким по совокупности признаков является способ ионизации воздуха, осуществляемый в устройстве для генерирования ионов воздуха [21], включающем средства ионизации - альфа-излучение - для генерирования ионов путем бомбардировки молекул воздуха радиацией с образованием множества положительных и отрицательных ионов; электрические средства, связанные со средствами ионизации для образования электрического поля переменной полярности вблизи от

заменяющий лист (правило 26)

источника генерирования ионов; при этом способом создаются волны ионов противоположной полярности таким образом, чтобы удалить указанные ионы от источника ионизации. недостатком способа и устройства является необходимость размещения устройства в непосредственной близости от обрабатываемой поверхности, т.к. удаление от поверхности приведет к перемешиванию слоев воздуха и рекомбинации положительных и отрицательных ионов. это в свою очередь приводит к необходимости установки большого количества устройств в помещении или на протяжении длины устройств, например, конвейеров, и невозможности применения устройств в помещениях со взрывоопасными и/или пожароопасными технологиями производства. кроме этого, при небольшой скорости воздушного потока и большой частоте смены полярности электрического поля образующиеся в результате обработки молекул воздуха альфа- частицами свободные электроны и положительные ионы будут осуществлять колебательные движения вблизи сетчатого электрода, а повышение скорости подачи воздуха приведет к перемешиванию слоев воздуха содержащих разные заряды, что в свою очередь приведет к рекомбинации положительных ионов и свободных электронов и снижению эффективности нейтрализации зарядов статического электричества. задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности предотвращения образования зарядов статического электричества определенного знака на поверхностях тел и на поверхности частиц твердых материалов для любых скоростей подачи воздуха в помещение с одновременным повышением эксплуатационной безопасности, снижением эксплуатационных расходов и улучшением санитарно-гигиенических условий помещений.

поставленная задача решается достижением следующих технических результатов: размещение устройства для осуществления способа за пределами рабочего помещения, либо на достаточном удалении от места нахождения рабочего персонала, обеспечение управляемой ионизации с образованием ионов в таком количестве и такого знака заряда, которое предотвратит образование статического электричества определенного

технологического процесса и перезарядку поверхностей противоположным зарядом.

указанные технические результаты достигаются за счет того, что воздух облучают потоком альфа-частиц, подвергают воздействию электрического поля, создают ламинарный поток воздуха и подают его в помещение к объектам, на которых могут образовываться заряды статического электричества, при этом воздух облучают перед подачей в помещение, в потоке воздуха создают ламинарный поток свободных электронов и ионов воздуха воздействием постоянного электрического поля, создают поток ионов одного нужного знака, затем доводят концентрацию этих ионов до величины, необходимой для предотвращения статического электричества.

кроме этого, регулированием пробега альфа-частиц до столкновения с потоком воздуха доводят энергию потока альфа-частиц до уровня, необходимого для ионизации кислорода воздуха.

кроме этого в случае образования положительного заряда статического электричества на объектах, нейтрализуют положительные ионы воздуха, осаждая их на поверхности электрода с постоянным отрицательным потенциалом, воздействием постоянного электрического поля, параллельным скорости воздушного потока, доводят энергию содержащихся в воздухе свободных электронов до энергии ионизации кислорода, а затем воздействием дополнительного постоянного электрического поля доводят концентрацию отрицательных ионов кислорода до необходимой величины, обеспечивая осаждение части отрицательных ионов на электроде с положительным потенциалом.

кроме этого, в случае образования отрицательного заряда статического электричества на объектах, нейтрализуют свободные электроны и отрицательные ионы воздуха, осаждая их на поверхности электрода с постоянным положительным потенциалом, а затем доводят концентрацию положительных ионов кислорода до необходимой величины, осаждая часть положительных ионов воздуха на электроде с постоянным отрицательным потенциалом.

также предлагается устройство для предотвращения образования зарядов статического электричества, состоящее из подающего воздух воздуховода, соединенной с ним камеры, в которой помещен, по меньшей мере, один источник альфа-частиц и, по меньшей мере, один электрод, и которая соединена с, по меньшей мере, одним отводящим воздуховодом, при этом иcтoчник(и) альфа-частиц размещены на, по меньшей мере, одной вставке, дополнительно помещенной внутрь камеры.

кроме того, по меньшей мере, два источника альфа-частиц могут быть размещены на разных сторонах вставки в шахматном порядке. количество источников альфа-частиц определяется в зависимости от потребности в образовании облака свободных электронов или положительных ионов для предотвращения образования статического электричества на определенной поверхности с определенной интенсивностью электризации. при этом для расчета количества источников альфа-частиц используются данные о линейной скорости воздушного потока, площади поперечного сечения камеры, а также справочные данные: количество распадов (альфа-частиц) одного источника, среднее количество столкновений одной альфа-частицы с молекулами воздуха, коэффициент рекомбинации положительных ионов и электронов. кроме этого, в том случае, когда источники альфа-частиц размещены на обеих сторонах вставок, источники альфа-частиц размещены на сторонах вставок в шахматном порядке.

кроме того, вставки снабжены углублениями, источники альфа-частиц закреплены на пластинках, установленных в указанных углублениях, причем их глубина не менее чем на 2 мм превышает толщину источника альфа-частиц с пластинкой, при этом пластинки снабжены винтами для регулирования положения пластинок по высоте углубления.

кроме того, стенки камеры и вставки выполнены из непроводящего материала. кроме того, камера находится вне помещения, в котором находятся объекты, на которых может образовываться заряд статического электричества.

кроме того, камера соединена, по меньшей мере, с двумя отводящими воздуховодами, которые располагаются в помещении над объектами, на которых может образовываться заряды статического электричества.

кроме того, в камеру дополнительно помещают между источником (источниками) альфа-частиц и отводящим воздуховодом, по меньшей мере, два электрода, выполненных в виде проводящей сетки, расположенной поперек воздушного потока.

кроме того, с целью предотвращения положительного заряда статического электричества первый по ходу потока воздуха электрод подключен к отрицательному выводу источника постоянного напряжения, положительный вывод которого заземлен, а второй по ходу потока воздуха электрод подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, отрицательный вывод которого заземлен.

кроме того, с целью предотвращения отрицательного заряда статического электричества первый по ходу потока воздуха электрод подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, отрицательный вывод которого заземлен, а второй по ходу потока воздуха электрод подключен к отрицательному выводу источника постоянного напряжения, положительный вывод которого заземлен. кроме того расстояние между ближайшими друг к другу электродом и источником альфа-частиц не превышает Lj≤Vвтi, где Vв - линейная скорость воздушного потока, м/с; T ₁ - время до начала рекомбинации свободных электронов и положительных ионов воздуха, с.

например, если линейная скорость воздушного потока равна 0,2 м/с, а время до начала рекомбинации свободных электронов и положительных ионов воздуха 0,1 с, то расстояние между ближайшими друг к другу электродом и источником составит не более L!<0,02 м.

кроме этого, между первым и вторым электродами устанавливается такое расстояние L ₂ , чтобы при заданной линейной скорости потока воздуха, за время прохождения воздуха между двумя электродами была достигнута концентрация ионов или свободных электронов, требуемая для предотвращения образования статического электричества.

кроме того, с целью обеспечения ламинарного потока свободных электронов и/или отрицательных ионов кислорода воздуха или положительных ионов воздуха, ячейки сетки имеют квадратную форму с такой длиной стороны квадрата, чтобы обеспечивать стекание необходимого количества свободных электронов и/или положительных ионов воздуха и/или отрицательных ионов кислорода воздуха для достижения требуемой концентрации положительных ионов кислорода или отрицательных ионов кислорода на выходе камеры при максимальной скорости потока воздуха и минимальном напряжении на электродах. кроме того, выходное напряжение источников постоянного напряжения находится в пределах 0,2..1,0 кв и определяется скоростью воздушного потока, размером ячеек сетки электродов и требуемым уровнем ионизации воздуха.

существо заявляемых способа и устройства поясняется на фиг.l, фиг.2, фиг.з, фиг.4, фиг.5 и фиг.б. вентиляционная установка 1 служит для подачи воздуха 2 в ионизационную камеру 3. к камере 3 подключены источники постоянного напряжения 4 (4j и 4г), один вывод каждого из которых соединен с сетчатым электродом, а другой заземлен; из камеры 3 поступает ионизированный воздух 5, который по воздуховоду 6 через штуцеры 7 подается в производственное помещение нисходящим потоком ионизированного воздуха 8 на обрабатываемую поверхность 9, на которой могут накапливаться заряды статического электричества. такая поверхность может представлять из себя ленту конвейера 10. производственное помещение образовано полом 11, стеной 12, отделяющей производственное помещение от вентиляционной камеры (технического помещения) и потолком производственного помещения 13.

в ионизационную камеру 3 помещена вставка 14 с установленными в ней источниками альфа - частиц 15, испускающими поток альфа - частиц. через расстояние Lг от последнего по ходу потока воздуха источника альфа-частиц установлен поперек потока воздуха сетчатый электрод 17. на расстоянии Lз от первого электрода по ходу потока воздуха установлен поперек потока воздуха сетчатый электрод 18.

вставка 14 представляет собой пластину, изготовленную из диэлектрического материала, в которой устроены углубления 19. в каждое углубление помещена пластинка 20, которая является подложкой - держателем источника альфа-частиц 15. глубина углубления не менее чем на 2 мм превышает толщину источника альфа-частиц с пластинкой, при этом пластинки снабжены винтами для регулирования положения пластинок по высоте углубления. для регулировки положения источника альфа-частиц по высоте углубления пластинки 20 снабжены регулировочными винтами 21. работает устройство следующим образом. вентиляционная установка 1 нагнетает воздух 2 в ионизационную камеру 3, отделенную от производственного помещения, в котором могут находиться люди, стеной 12. в результате «бoмбapдиpoвки» молекул воздуха 22 альфа-частицами 16, испускаемыми источниками 15, в воздухе образуются положительные ионы 23 и облако свободных электронов 24. далее положительные ионы и свободные электроны проходят через сетчатый электрод 17. в случае предотвращения образования положительных зарядов статического электричества на сетчатый электрод 17 подается постоянное напряжение отрицательной полярности от источника напряжения 4ь в результате взаимодействия с зарядом сетчатого электрода 17 положительные ионы восстанавливаются до нейтральных молекул 25, а электроны 24 за счет действия на них сил отталкивания пролетает по оси ячейки сетки и выталкивается ей по ходу потока воздуха. далее на электроны 24 начинает действовать потенциал электрического поля, образованный между отрицательно заряженным электродом 17 и положительно заряженным электродом 18, на который подается постоянное напряжение положительной полярности. благодаря притяжению к электроду 18 свободные электроны 24 приобретают энергию, необходимую для натекания на ту поверхность, на которой необходимо предотвратить образование статического электричества. второй электрод служит для регулирования концентрации отрицательных ионов кислорода в воздухе за счет восстановления части отрицательных ионов кислорода воздуха до

нейтральных молекул, и регулирования кинетической энергии свободных электронов или положительных ионов в зависимости от заряда статического электричества. ионизированный воздух с необходимой концентрацией свободных электронов и допустимой концентрацией отрицательных ионов кислорода 5 подается в производственное помещение по воздуховоду 6, снабженному штуцерами 7 для подачи ионизированного воздуха нисходящим потоком 8 на обрабатываемую поверхность, на которой могут накапливаться положительные заряды статического электричества. свободные электроны и отрицательные ионы кислорода стекают на обрабатываемую поверхность и образующиеся, например, вследствие трения, положительные ионы воздуха нейтрализуются, предотвращая тем самым образование статического электричества на поверхности.

в случае предотвращения образования отрицательных зарядов статического электричества на сетчатый электрод 17 подается постоянное напряжение положительной полярности от источника напряжения A _\ . в результате взаимодействия с зарядом сетчатого электрода 17 положительные ионы 23 за счет действия на них сил отталкивания пролетают по оси ячейки сетки и выталкиваются по ходу потока воздуха, а свободные электроны 24 стекают на контур ячейки сетчатого электрода. далее на положительные ионы 23 начинает действовать потенциал электрического поля, образованный между положительно заряженным электродом 17 и отрицательно заряженным электродом 18, на который подается постоянное напряжение отрицательной полярности. благодаря притяжению к электроду 18 положительные ионы 23 и скорости потока воздуха положительные ионы 23 пролетают через отрицательно заряженный электрод 18, но часть положительных ионов 23 восстанавливается до нейтральных молекул, что обеспечивает регулирование концентрации положительных ионов до необходимой величины. далее ионизированный воздух 5 с необходимой концентрацией положительных ионов кислорода и необходимой скоростью подается в производственное помещение по воздуховоду б, снабженному штуцерами 7 для подачи ионизированного воздуха нисходящим потоком 8 на всю

поверхность, на которой могут накапливаться отрицательные заряды статического электричества. положительные ионы воздуха захватывают электроны образующихся отрицательных ионов на поверхности объекта, тем самым нейтрализуя заряд статического электричества. 5 точная настройка устройства для достижения наибольшей эффективности предотвращения образования статического электричества достигается подбором выходных напряжений источников питания электродов и размеров ячейки сетки электродов.

литература

1. а.с. Jfs 465761, опубликован 05.05.1969.

2. а.с. JVa 518877, опубликован 25.06.1976.

3. а.с. JVs 518877, опубликован 25.06.1976.

4. A.C. JVa A.C. 1261141, опубликован 30.09.86. л г 5. патент южной кореи ш 20050013976, опубликован

05.02.2005.

6. патент великобритании JV°2308925, опубликован 09.07.1997.

7. патент японии JVs 2155199, опубликован 14.06.1990.

8. патент великобритании JVs 1487307, опубликован 28.09.1977. _Q 9. патент франции JVs 2630285, опубликован 20.10.1989.

10. патент сша JVa 3531688, опубликован 29.09.1970.

11. патент великобритании JVa 1431863, опубликован 14.04.1976.

12. международный патент JVs 02084832, опубликован 2002-10- 24. ₅ 13. патент сша JV° 3793558, опубликован 19.02.1974.

14. патент японии JVs 7045397, опубликован 14.02.1995.

15. заявка на выдачу патента японии JVs 2000300936, опубликована 31.10.2000.

16. нейтрализаторы статического электричества. каталог, 1972, 0 изд. в/о «изoтoп», 12 стр., 1972.

17. гост 12.4.124-83. средства защиты от статического электричества. общие технические требования.

18. патент сша JV° 7126807, опубликован 24.10.2006.

19. патент японии JVb 7211483, опубликован 11.08.1995.

20. патент сша JNb 2723349, опубликован 8.11.1955.

21. патент сша JVb 4829398, опубликован 09.05.1989.