PL213623B1 - Piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza, zabezpieczający budowle przed wyładowaniami atmosferycznymi.

W pewnych warunkach atmosferycznych tworzą się chmury burzowe z nagromadzonym w sobie ładunkiem elektrycznym ujemnym skierowanym w kierunku ziemi. W przypadku gdy ładunek ten jest zbyt duży, a wytwarzane przez niego natężenie pola elektrycznego przekroczy pewien próg graniczny to następuje wyładowanie elektryczne zupełne, czyli przeskok iskrowy. Pierwszy taki przeskok powoduje zjonizowanie atomów powietrza na długości rzędu 10-20 m, po czym sukcesywnie następują kolejne przeskoki jonizując kolejne atomy, doprowadzając do jonizacji lawinowej, a po dotarciu do ziemi następuje gwałtowne rozładowanie i przepływ ładunków dodatnich zgromadzonych w ziemi w kierunku chmury z ładunkami ujemnymi.

Chmury burzowe naładowane ładunkiem elektrycznym w kierunku do ziemi stanowiącym czoło pioruna, posiadają ładunek elektryczny rzędu od kilku do kilkudziesięciu Culombów. Wówczas na elementach metalowych budowli będących w polu elektromagnetycznym tego ładunku indukuje się ładunek proporcjonalny do tak zwanej zastępczej powierzchni tych elementów. Celem ukierunkowania wyładowania elektrycznego i kontroli przepływu tego ładunku z powstałej chmury burzowej w kierunku ziemi stosowane są piorunochrony o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych. W znanym powszechnie piorunochronie Franklina wspomnianą powierzchnię zastępczą stanowi powierzchnia jego ostrza, które w przypadku umieszczenia go w silnym polu elektrycznym powoduje jonizację powietrza wokół tego ostrza. Wynika z tego, że im większa jest powierzchnia zastępcza metalowego elementu w postaci ostrza, tym wyidukowany zostanie większy ładunek elektryczny. Mając zatem na uwadze działanie siły wiatru oraz estetykę wykonanego piorunochronu dąży się do tego aby powierzchnia zastępcza ostrza piorunochronu była jak najmniejsza. Oznacza to, że optymalna zastępcza powierzchnia ostrza piorunochronu, która wyidukuje ładunek elektryczny stanowi jeden z podstawowych warunków w projektowanej konstrukcji piorunochronu, przy czym główny problem polega na przeniesieniu tego ładunku do jego wnętrza w celu zasilenia układu jonizującego powietrza, zwanego modułem indukcyjnym. Kolejnym problemem jest powstawanie w układzie jonizującym pojemności rozproszonych, które wywołane są przez zastępcze pojemności kondensatorów powierzchni zastępczej piorunochronu w stosunku do ziemi, przy czym energia tak wytworzonego ładunku elektrycznego tych kondensatorów jest niewykorzystywana powodując tym samym stratę tej energii. Jednocześnie stwierdzono, że skuteczność piorunochronu jest tym większa im szybciej nastąpi jonizacja powietrza wokół jego ostrza, przy czym znane są różne metody podnoszenia tej skuteczności.

Znane z polskiego opisu patentowego wynalazku nr PL 192 704 metody przyśpieszania jonizacji powietrza wokół ostrza piorunochronu polegają między innymi na jonizowaniu powietrza za pomocą źródła radioaktywnego, lub za pomocą zaostrzonego zwodu piorunochronu zaopatrzonego w piezoelektryk połączony z ziemią, lub też za pomocą impulsów elektrycznych wokół ostrza piorunochronu, odizolowanego od ziemi kondensatorem z układem elektronicznym. Każda z przytoczonych metod posiada określoną wadę polegającą odpowiednio na możliwości rozerwania się elementu radioaktywnego w momencie uderzenia pioruna, konieczności występowania silnego wiatru celem spowodowania nacisku zwodu na piezoelektryk lub możliwości uszkodzenia układu elektronicznego z powodu braku możliwości połączenia z sobą elektrod kondensatora elementem metalowym.

Znany jest także z polskiego opisu patentowego nr 192 704 piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza wokół jego ostrza składający się z głównej elektrody jonizacyjnej zaopatrzonej w elektrodę przeskoku, połączonej szeregowo poprzez cewkę indukcyjną i iskrownik z ziemią oraz z co najmniej jednej elektrody zbiorczej połączonej bezpośrednio z ziemią, przy czym elektroda zbiorcza usytuowana jest naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku, przy czym iskrownik posiada ostrze oraz usytuowaną naprzeciw niego elektrodę płaską. W innym wykonaniu tego piorunochronu składa się on z głównej elektrody jonizacyjnej zaopatrzonej w elektrodę przeskoku, połączonej szeregowo poprzez cewkę i iskrownik z ziemią, elektrody zbiorczej połączonej bezpośrednio z ziemią usytuowaną naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku oraz układu elektronicznego złożonego z elementu optycznego, połączonego z bazą tranzystora. Kolektor tego tranzystora połączony jest z jednym końcem uzwojenia cewki tworzącej wraz z kolejną usytuowaną naprzeciw niej cewką transformator, zaś drugi koniec uzwojenia cewki pierwszej połączony jest poprzez rezystor i źródło zasilające z elementem optycznym, przy czym w obwód elektryczny tego układu pomiędzy drugi koniec cewki pierwszej i rezystor oraz pomiędzy element optyczny i źródło zasilające włączone są połączone ze sobą szeregowo konPL 213 623 B1 densatory dołączone do masy układu elektronicznego. Wadą tego rozwiązania jest stosunkowo mała wydajność wzrostu jonizacji wokół ostrza piorunochronu wynosząca 30-40%, spowodowana koniecznością przepływu prądu pomiędzy elektrodą przeskoku i elektrodą zbiorczą.

Z kolei, znany z polskiego opisu patentowego nr PL 192 177 piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza wokół jego ostrza posiada elektrodę Franklina połączoną z ziemią i układem elektronicznym charakteryzuje się tym, że posiada dodatkową elektrodę zapłonową zakończoną ostrzem, połączoną poprzez układ jonizacyjny i cewkę indukcyjną z elektrodą główną zakończoną ostrzem, przy czym układ jonizacyjny tego piorunochronu stanowi elektroda iskrownika, której ostrze usytuowane jest naprzeciw i w pobliżu elektrody stanowiącej drugi koniec elektrody zapłonowej.

Również i w tym przypadku wydajność wzrostu jonizacji wokół ostrza piorunochronu z uwagi na konieczność przeznaczenia kanału zjonizowanego powietrza z elektrody zapłonowej na elektrodę główną piorunochronu jest ograniczona do około 30%.

Celem wynalazku jest opracowanie znacznie prostszej i zwartej konstrukcji piorunochronu z przyspieszoną jonizacją powietrza wokół jego ostrza, pozwalającej na wyeliminowanie pojemności rozproszonych w jego układzie jonizacyjnym, wywołanych przez zastępcze pojemności kondensatorów powierzchni zastępczej piorunochronu w stosunku do ziemi, a tym samym na znaczne zwiększenie jego jonizacji w porównaniu do znanych dotychczas kontynuacji piorunochronów.

Istota piorunochronu według wynalazku polega na tym, że posiada dodatkową wewnętrzną elektrodę skupiającą, w której umieszczony jest moduł indukcyjny, przy czym elektroda ta połączona jest elektrycznie z uziemioną podstawą, połączoną elektrycznie z elektrodą płaską iskrownika, którego ostrze poprzez cewkę indukcyjną modułu indukcyjnego połączone jest z zewnętrzną elektrodą zbiorczą, a ponadto elektroda skupiająca wykonana jest w kształcie tulei z materiału przewodzącego prąd, a jej wysokość wynosi korzystnie połowę długości cewki indukcyjnej. Elektrodę skupiającą mogą stanowić także górne zwoje cewki indukcyjnej, których koniec poprzez ostrze i elektrodę płaską iskrownika połączony jest elektrycznie ze zbiorczą zewnętrzną elektrodą jonizacyjną, a drugi koniec tej cewki połączony jest z uziemioną podstawą, przy czym w obu przypadkach cewka indukcyjna posiada korzystnie kształt walcowy.

Podstawową zaletą piorunochronu według wynalazku jest to, że w jego układzie jonizacyjnym module indukcyjnym wywoływana jest pojemność zastępcza kondensatora, którego ładunek jest wykorzystywany do zasilania tego modułu, stanowiąc tym samym energię użyteczną, umożliwiającą znaczne zwiększenie wydajności jonizacji powietrza wokół jego ostrza dochodzącej do około 90%. Poza tym prosta i zwarta konstrukcja tego piorunochronu usprawnia jego obsługę i powoduje znaczne obniżenie kosztów jego wytworzenia.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza w wersji rozszerzonej w ujęciu schematycznym, fig. 2 - piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza w wersji uproszczonej, fig. 3 - uproszczony układ elektroniczny piorunochronu obrazujący powstawanie i usytuowanie pojemności zastępczej, pojemności rozproszonej i pojemności użytecznej, fig. 4 i 5 - uproszczone układy elektroniczne piorunochronu w wersji rozszerzonej i uproszczonej obrazujące zasadę powstawania zróżnicowanej wartości napięcia na ich cewkach indukcyjnych w zależności od usytuowania połączonego z tymi cewkami iskrownika.

Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza w wersji rozszerzonej pokazanej na fig. 1 składa się z zewnętrznej elektrody zbiorczej 1 zakończonej w górnej części ostrzem 2, w której umieszczony jest połączony z nią elektrycznie moduł indukcyjny 3, osłonięty częściowo tulejową elektrodą skupiająca 4 połączoną elektrycznie poprzez metalową podstawę 5 z ziemią 6. Moduł indukcyjny 3 stanowi cewka 7 o dużej indukcyjności wynoszącej 0,1-50 H, korzystnie 5 H, połączona szeregowo z jednym jej końcem z elektrodą zbiorczą 1 i drugim końcem z iskrownikiem 8, połączonym elektrycznie z uziemioną podstawą 5. Dolny koniec tej cewki połączony jest z ostrzem 9 iskrownika 8, a jego elektroda płaska 10 z uziemioną podstawą 5. Z kolei, tulejowa elektroda skupiająca 4 wykonana jest z materiału przewodzącego ładunki elektryczne, zwłaszcza z cienkiej blachy nierdzewnej o grubości 0,05-1 mm, korzystnie 0,2 mm i długości około 100 mm tworzy względem uziemionej podstawy 5 potencjał dodatni analogiczny jaki posiada elektroda zbiorcza 1 i jej ostrze 2 zastępczy kondensator 11 o pojemności wynoszącej 10 pF - 100 nF, korzystnie o pojemności 100 pF. Celem tak utworzonego zastępczego kondensatora 11 jest związanie w sposób maksymalny ładunku wyidukowanego Q_ind na głównej elektrodzie zbiorczej 1 przez pole elektryczne chmury burzowej.

PL 213 623 B1

W wyniku dokonanych wielu prób i badań nieoczekiwanie stwierdzono, że w przypadku gdy iskrownik 8 połączony jest elektrycznie z umieszczoną podstawą 5, a długość tulejowej elektrody skupiającej 4 stanowi ¹/? długości cewki indukcyjnej 7 wynoszącej około 200 mm, to otrzymuje się wystarczające skupienie ładunku indukcyjnego Q_ind. Wówczas w przypadku przeskoku iskry przez iskrownik 8 otrzymuje się znaczne zwiększenie potencjału na ostrzu 2 elektrody zbiorczej 1, a tym samym zwiększenie stopnia jonizacji powietrza wokół tego ostrza. Najkorzystniejsze wyniki wzrostu jonizacji powietrza wokół ostrza 2 uzyskano w rozwiązaniu, w którym tulejowa elektroda skupiająca 4 o długości 100 mm była usytuowana w pobliżu cewki indukcyjnej 7 modułu indukcyjnego 3 mającej wymiary 0 30 x 200 mm.

Z kolei, piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza w wersji uproszczonej pokazanej na fig. 2 składa się z zewnętrznej elektrody zbiorczej 1, zakończonej w górnej części ostrzem 2, w której umieszczony jest moduł indukcyjny 3, który stanowi cewka 7 o dużej indukcyjności, korzystnie 5 H, połączona szeregowo jednym jej końcem z uziemioną podstawą metalową 5, a drugim jej końcem z iskrownikiem 8, którego elektroda płaska 10 połączona jest elektrycznie z elektrodą zbiorczą 1, a jego ostrze 9 z górnym końcem cewki 7. W tym przypadku funkcję elektrody skupiającej 4 pokazanej na fig. 1 spełniają uzwojenia górnego końca 12 cewki indukcyjnej 3 również o wymiarach korzystnie 0 30 x 200 mm. W obu rozwiązaniach pokazanych na fig. 1 i 2 przestrzeń pomiędzy tulejową elektrodą skupiającą 4 i zewnętrzną elektrodą zbiorczą 1 oraz pomiędzy modułem indukcyjnym 3 i zewnętrzną elektrodą zbiorczą 1 wypełniona jest materiałem dielektrycznym 13, korzystnie żywicą lub silikonem, przy czym w obu tych rozwiązaniach cewka indukcyjna 7 ma kształt walcowy.

W innym przykładzie wykonania piorunochronu nie pokazanym na rysunku posiada on budowę analogiczną jak piorunochron pokazany na fig. 2, przy czym dodatkowo zaopatrzony jest on także w tulejową elektrodę skupiającą 4, w której umieszczony jest moduł indukcyjny 3. Jednakże okazało się, że w tym przypadku wydajność piorunochronu - jonizacji powietrza wokół ostrza piorunochronu jest znacznie niższa w porównaniu do rozwiązań pokazanych na fig. 1 i 2.

Na schematach układów elektrycznych pokazanych na fig. 3-5 pokazano zasadę tworzenia się ładunku indukcyjnego Qind, zastępczej pojemności Czp, pojemności rozproszonej Cr, pojemności elektrody skupiającej - użytecznej Csk, pojemności elektrody zewnętrznej Czew, przy czym podane wyżej parametry oznaczają:

Q_ind - oznacza ładunek indukcyjny (elektryczny) na ostrzu 2 piorunochronu, czyli pojemność względem chmury burzowej

Czp - zastępczą pojemność kondensatora na czole chmury burzowej względem powierzchni zastępczej piorunochronu

Cr - pojemność rozproszoną, czyli zastępczą pojemność kondensatorów powierzchni zastępczej piorunochronu w stosunku do ziemi 6, której ładunek elektryczny jest niewykorzystywany

C_sk - pojemność zastępczą kondensatora będącą zastępczą pojemnością elektrody sk upiającej 4, której ładunek elektryczny jest wykorzystywany do zasilania modułu indukcyjnego

Q_sk - ładunek zgromadzony na powierzchni elektrody skupiającej, przy czym najkorzystniej jest gdy Qsk = Qind,

C_zew - pojemność kondensatora na elektrodzie zewnętrznej 1.

Ładunek indukcyjny Q_ind, którego źródłem jest czoło chmury burzowej gromadzi się w kondensatorze pojemności elektrody zewnętrznej Czew. W przypadku braku wystąpienia pojemności rozproszeniowych Cr na kondensatorze powierzchni zastępczej piorunochronu, to cały ładunek indukcyjny Qind, przechodzi do kondensatora pojemności zastępczej Csk i wykorzystywany jest do zasilania modułu indukcyjnego 3. Z kolei w przypadku wzrostu napięcia na kondensatorze pojemności zastępczej następuje przeskok iskry na iskrowniku 8, przy czym wartość prądu w cewce 7 tego modułu uzależniona jest od ładunku elektrycznego na pojemności zastępczej kondensatora C_sk. Ponieważ napięcie na cewce indukcyjnej 7 określone jest zależnością gdzie: L - oznacza indukcyjność cewki 7 di - przyrost prądu elektrycznego dt - przyrost czasu to również napięcie na ostrzu 2 elektrody zewnętrznej 2 jest takie same jak na cewce 7, czyli ma również wartość U_L.

PL 213 623 B1

Jednakże w przypadku, gdy iskrownik 8 jest połączony z uziemioną podstawą 5 piorunochronu zaopatrzonego w tulejową elektrodę skupiającą 4 to napięcie na jego ostrzu 2 jest dwa razy większe, czyli U = 2 U_L, powodując tym samym dwukrotne zwiększenia jonizacji powietrza tego ostrza, co z kolei spowodowało zwiększenie wydajności tego piorunochronu do około 90%.

Claims (4)

1. Piorunochron z przyśpieszoną jonizacją powietrza wokół jego ostrza zawierający zewnętrzną jonizacyjną elektrodę zbiorczą, zakończoną ostrzem, połączoną szeregowo z ziemią poprzez moduł indukcyjny złożony z cewki i iskrownika, który to moduł umieszczony jest w obudowie izolacyjnej, znamienny tym, że posiada dodatkową wewnętrzną elektrodę skupiającą (4), w której umieszczony jest moduł indukcyjny (3), przy czym elektroda ta połączona jest elektrycznie z uziemioną podstawą (5), połączoną elektrycznie z elektrodą płaską (10) iskrownika (8), którego ostrze (9) poprzez cewkę indukcyjną (7) modułu indukcyjnego (3) połączone jest z zewnętrzną elektrodą zbiorczą (1).

2. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda skupiająca (4) wykonana jest w kształcie tulei z materiału przewodzącego prąd, a jej wysokość (H) wynosi korzystnie połowę długości (L) cewki indukcyjnej (7).

3. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrodę skupiającą (4) stanowią górne zwoje (12) cewki indukcyjnej (7), których koniec poprzez ostrze (8) i elektrodę płaską (10) iskrownika (8) połączony jest elektrycznie ze zbiorczą zewnętrzną elektrodą jonizacyjną (1), a drugi koniec tej cewki połączony jest z uziemioną podstawą (5).

4. Piorunochron według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że cewka indukcyjna (7) posiada korzystnie kształt walcowy.