[发明专利]用于高压纳秒脉冲杀菌系统的气体火花开关

说明书

技术领域

    本发明涉及三电极同轴式气体火花开关的制造，并应用于高压纳秒脉冲杀菌系统。

背景技术

脉冲电场杀菌技术被认为是一种潜在的经济有效的非热杀菌手段，已经成为当今研究的一个热点。现今脉冲电场杀菌设备中常用的放电开关为放电管，因此杀菌脉冲波上升时间多为微秒级，脉冲上升时间更短的纳秒级脉冲还未在杀菌技术中得到试验应用。高压脉冲杀菌的核心部分是脉冲发生器，放电开关是其中的关键部件，它的作用是将储能电容存储的电能在短时间内释放到负载。储能电容经过火花开关放电的等效电路如图1所示，其中C为储能电容，事先被充至电压U₀；L为放电回路中等效电感；Rs（t）为火花开关的等效电阻；R为负载电阻。下面是电路方程描述：

从上式可以看出，火花电阻和等效电感对放电的影响都非常大，其中等效电感包括火花电感和结构电感。

高压纳秒脉冲杀菌系统要求开关产生脉冲上升时间短至纳秒级、电压幅值达到几十千伏。

发明内容

    本发明的目的是气体火花开关要使主电极间距尽量小以保证火花电感比较小，开关导通过程中电场畸变剧烈而使开关导通速度快、火花电阻小的同轴式三电极气体火花开关。

用于高压纳秒脉冲杀菌系统的气体火花开关，包括放电主电极、阳极支架、触发针电极、绝缘层以及开关外壳；所述放电主电极包括阳极半球头和阴极半球头，所述阳极半球头固定在阳极支架上，阳极支架与储能电容组和直流高压电源输入引线相连；所述绝缘层包括绝缘体和电容绝缘架，电容绝缘架中设有至少两个圆孔，所述圆孔中串联有耐高压储能电容，阴极半球头固定在所述绝缘体上，并与输出电极相连；所述触发针电极为一个金属针，针尖端置于阴极半球头和阳极半球头主电极间隙中，针尾端固定在所述触发针电极固件上，触发针电极尾端和触发针固件整体连接在所述绝缘体上；绝缘层外侧固定有所述开关外壳。

开关外壳由后端盖、金属罩壳和输出段外壳共同构成，所述金属罩壳与输出段外壳之间采用连接螺栓固定连接，在所述端盖上设有电极间距调节螺栓。

所述触发针电极尾端和触发针固件为一整体，所述的整体与绝缘体之间螺纹连接。

所述阴极半球头、输出段外壳和中间的绝缘体共同构成开关输出段，所述开关输出段的内径和外径之间采用锥形过渡，过渡锥角为45°。

所述的绝缘层材料为聚四氟乙烯。

阴极半球头与阳极半球头保持同轴。

在阳极支架和绝缘体之间设有橡胶垫。

所述阳极支架和阴极半球头的外周上均设有有O型圈槽。

有益效果：本发明的气体火花开关相对火花放电管，耐受高电压强电流、击穿时延短、火花电感和导通电阻小，符合高压纳秒脉冲杀菌系统的使用要求。

附图说明

    图1为本发明的结构示意图；

图2为放电阶段电路等效图；

    图中有：1、后端盖；2、连接螺栓；3、金属罩壳；4、阳极支架；5、绝缘体；6、气嘴；7、输出段外壳；8、阴极半球头；9、触发针电极；10、触发引线；11、阳极半球头；12、橡胶垫；13、电容绝缘架；14、电极间距调节螺栓；15、直流高压电源输入引线。 

具体实施方式

    本新型气体火花开关为同轴式结构，开关外壳主要起屏蔽外界干扰和开关对外界测量系统的干扰的作用，材料选用密度相对较小的合金铝。开关外壳由后端盖1、金属罩壳3和输出段外壳7共同构成，金属罩壳3与输出段外壳7之间采用法兰式固定连接，所述绝缘部分材料采用优质的耐高温高压材料聚四氟乙烯，由绝缘体5和电容绝缘架13嵌套组成。

如图1所示的本实施例，电容绝缘架13中打有两个圆孔，耐高压储能电容串联置于所述两个圆孔孔洞中，所述耐高压储能电容一端与阳极支架4相连，另一端与电极间距调节螺栓14相连。阳极支架4和橡胶垫12固定于绝缘体5和电容绝缘架13之间，电极间距调节螺栓14可以将电容组和阳极支架4一起向里挤压橡胶垫12，从而起到从开关外部微调主电极间距的作用，橡胶垫12可以承受最大3mm轴向距离形变。

阳极半球头11和阴极半球头8采用耐电火花腐蚀的不锈钢材料，阳极半球头11一端有螺纹拧在阳极支架4上，通过阳极半球头11位置的移动可以实现阳极半球头11和阴极半球头8之间间距在1~12mm内调节。

阴极半球头8固定于绝缘体5内部，与阳极半球头11保持同轴。