генератор-концентратор аэроионов

Формула изобретения

Генератор-концентратор аэроионов, содержащий двухступенчатый ионизирующий элемент, включающий объемный электрод высокоэнергетической ступени ионизации, соединенный через резистор с заземленным положительным выводом высоковольтного источника постоянного тока, и низкоэнергетическую ступень ионизации, состоящую из активного игольчатого электрода с разнонаправленными остриями, подключенную к отрицательному выводу высоковольтного источника постоянного тока, и диэлектрический экран, при этом в полости корпуса объемного электрода установлены входная сетка, система пассивных электродов и выходная трехмерная сетка, отличающийся тем, что низкоэнергетическая ступень ионизации выполнена в виде системы активных электродов, состоящей из двух или более заостренных активных электродов, установленных равномерно с шагом, равным или более длины активного электрода, на входной сетке и электрически подключенных к ее наружной стороне, при этом поверхность каждого из активных электродов электроизолирована от точки подключения до острия электроизоляционным чехлом, острие выполнено из металла с низким коэффициентом линейного расширения и защищено гальваническим покрытием, входная сетка установлена электроизолированно от корпуса объемного электрода и подключена к отрицательному выводу высоковольтного источника постоянного тока через резистор, а острия активных электродов введены внутрь полости корпуса объемного электрода через систему отверстий во входной сетке и направлены в сторону выходной сетки по оси движения аэроионов, при этом электрические потенциалы точек подключения активных электродов уравнены между собой, система пассивных электродов установлена в корпусе объемного электрода электроизолированно от него и в направлении выходной сетки, состоит из двух и более блоков пассивных электродов, размещенных на токопроводном основании и электрически связанных между собой, при этом блок пассивных электродов содержит четыре и более пассивных электродов, каждый пассивный электрод изготовлен из токопроводной пластины в форме равнобедренного треугольника, поверхность электрода защищена гальваническим покрытием, а по основаниям треугольников пассивные электроды электрически соединены между собой и образуют геометрическую поверхность в виде равносторонних четырехугольника или многоугольника, сторона четырехугольника или многоугольника, образующая основание блока пассивных электродов, выполнена менее высоты пассивного электрода, вершины пассивных электродов, входящих в блок пассивных электродов, притуплены, а их электрические потенциалы уравнены между собой, вершины пассивных электродов направлены в сторону выходной сетки по оси движения аэроионов, блоки пассивных электродов размещены равномерно друг от друга на расстоянии, равном или более высоты пассивного электрода, количество блоков пассивных электродов, входящих в систему пассивных электродов, равно количеству активных электродов, входящих в систему активных электродов, а их оси симметрии совмещены, диэлектрический экран установлен перед входной сеткой в изолированном воздуховоде, соединенном герметично с корпусом объемного электрода, на расстоянии менее высоты пассивного электрода и выполнен в виде фильтрующего элемента из воздухопроницаемого диэлектрического материала, токопроводная выходная трехмерная сетка электрически соединена с корпусом объемного электрода высокоэнергетичной ступени ионизации, а корпус объемного электрода выполнен слоистым, причем наружные слои выполнены диэлектрическими, внутренний - электропроводным, соединенным посредством резистора с заземленным положительным выводом высоковольтного источника постоянного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и технике кондиционирования воздуха по ионному составу. Изобретение может быть использовано для электрической ионизации атмосферного воздуха в целях лечения и профилактики ряда болезней человека в стационарных, санаторно-профилактических и бытовых условиях, а также в целях обеспечения жизнедеятельности экипажа в закрытых кабинах и др. целях.

Известен "Ионизатор кислорода воздуха" (см. патент РФ №2126277, МКИ ⁶ А 61 N 1/44, 1999 г.), который генерирует высокоэнергетичные аэроионы О₂ ^2-. Ионизирующие электроды этого устройства выполнены двухступенчатыми и состоят из объемного электрода высокоэнергетичной ступени, содержащего образованную входной и выходной металлическими сетками электрически замкнутую полость ("клетку" Фарадея), внутри которой установлен игольчатый электрод низкоэнергетичной ступени.

Ионизатор обеспечивает формирование внутри упомянутой полости первоначально низкоэнергетичные аэроионы О₂ ^1- с энергией ионизации Еи=12 эВ и последующее преобразование их в высокоэнергетичные аэроионы О ₂ ^2- с энергией ионизации Еи=34 эВ.

Недостатком этого устройства является малое время жизни генерируемых одиночных высокоэнергетичных аэроионов О₂ ^2-, которые при броуновском соударении с нейтральными молекулами воздуха через 0,5-1,5 с деградируют в низкоэнергетичные аэроионы О₂ ^1-. Это снижает количество высокоэнергетичных аэроионов, достигающих альвеол легких, и уменьшает лечебно-оздоровительный эффект.

Известен также "Высокоэнергетический аэроионизатор" (см. патент RU №2170112 C1, 10.07.2001), который выбран в качестве прототипа.

Высокоэнергетичный аэроионизатор содержит объемный электрод высокоэнергетичной ступени, выполненный в виде "клетки" Фарадея, содержащий полость, входную сетку, выполненную в виде системы отверстий для поступления воздуха, и выходную трехмерную сотовую сетку. В полости установлен диэлектрический экран с закрепленной на его поверхности решеткой пассивных игольчатых электродов, выполненных в виде острий, направленных по оси движения аэроионов. В полости установлен также активный игольчатый электрод с разнонаправленными остриями низкоэнергетичной ступени, соединенный с отрицательным выводом высоковольтного источника постоянного тока. Корпус высокоэнергетичного электрода соединен с заземленным положительным выводом высоковольтного источника постоянного тока посредством резистора. Высокоэнергетичный аэроионизатор обеспечивает формирование первоначально низкоэнергетичных аэроионов O₂ ^1-, последующее преобразование их в высокоэнергетичные аэроионы О ₂ ^2-, а в результате межмолекулярных сил диполь-дипольного кулоновского притяжения поляризованных аэроионов О₂ ^2- и нейтральных молекул кислорода О₂ ⁰ формируются многозвенные ассоциации (ассоциированные аэроионы) вида (2 О₂ ^2- +4 О₂ ⁰)×n, где n - количество связей в ассоциации, которое определяется значениями от n=3 до n=10.

Недостатком высокоэнергетичного аэроионизатора является снижение на периферийных участках выходной стеки плотности ассоциированных аэроионов (2 О ₂ ^2-+4 О₂ ⁰)×n и увеличение плотности низкоэнергетичных аэроионов О₂ ^1-, что связано с нелинейностью электрического поля в полости объемного электрода.

Кроме этого, элементы объемного электрода высокоэнергетичного аэроионизатора, смонтированные в полости, не защищены от взаимодействия с пылевыми частицами поступающего воздуха и в процессе ионизации нейтральные (электрически незаряженные) пылевые частицы получают отрицательный заряд, а при вдыхании, более активно, чем незаряженные, оседают на стенках дыхательной системы человека, что создает опасность возникновения заболеваний.

Еще одним недостатком описанного высокоэнергетичного аэроионизатора является непостоянство плотности ассоциированных аэроионов во внешнем пространстве, обусловленное их рекомбинационной энергетической деградацией, которая протекает вследствие соударений направленно движущихся ассоциированных аэроионов с нейтральными молекулами газов, входящих в состав воздуха, а также при броуновских соударениях и при взаимодействии с воздухом помещения в результате воздухообмена, а также с малым количеством связей n в ассоциациях (2 О₂ ^2-+4 О₂ ⁰)×n.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение лечебно-оздоровительного эффекта генератора-концентратора аэроионов путем обеспечения равномерной концентрации (плотности) ассоциированных аэроионов по поперечному сечению выходной трехмерной сетки, введения очистки воздуха перед ионизацией и увеличения концентрации (плотности) ассоциированных аэроионов (2 О ₂ ^2-+4 О₂ ⁰)×n за счет увеличения количества связей n.

Поставленная задача решается тем, что в известном двухступенчатом высокоэнергетичном аэроионизаторе низкоэнергетичная ступень ионизации выполнена в виде системы токопроводящих активных электродов, установленных равномерно на входной сетке и электрически подключенных к ее наружной стороне, при этом поверхность каждого из активных электродов электроизолирована от точки подключения до острия электроизоляционным чехлом, входная сетка установлена электроизолированно от корпуса объемного электрода и подключена к отрицательному выводу высоковольтного источника постоянного тока посредством резистора, а острия активных электродов введены в полость корпуса объемного электрода через систему отверстий во входной сетке и направлены в сторону выходной сетки по оси движения аэроионов, при этом электрические потенциалы точек подключения активных электродов уравнены между собой; система пассивных электродов установлена в корпусе объемного электрода электроизолированно от него и состоит из двух и более блоков пассивных электродов, размещенных на токопроводном основании и электрически связанных между собой, а их электрические потенциалы уравнены между собой, вершины пассивных электродов направлены в сторону выходной сетки по оси движения аэроионов, количество блоков пассивных электродов, входящих в систему пассивных электродов, равно количеству активных электродов, входящих в систему активных электродов, а их оси симметрии совмещены; диэлектрический экран установлен перед входной сеткой в изолированном воздуховоде, соединенном герметично с корпусом объемного электрода, и выполнен в виде фильтрующего элемента из воздухопроницаемого диэлектрического материала; выходная трехмерная сетка электрически соединена с корпусом объемного электрода высокоэнергетичной ступени ионизации, а корпус объемного электрода выполнен слоистым, причем наружные слои выполнены диэлектрическими, внутренний - электропроводным, соединенным посредством резистора с заземленным положительным выводом высоковольтного источника постоянного тока.

Согласно изобретению, вследствие протекающих процессов эмиссии, образуется высокая концентрация электронов в зоне ионизации активных электродов, в результате которой на первой ступени ионизации формируется поток низкоэнергетичных аэроионов О₂ ^1- высокой плотности. Вторичные электроны, стекающие с пассивных электродов по нормали к их боковым кромкам, под действием кулоновских сил дополнительно концентрируют поток низкоэнергетичных аэроионов О₂ ^1- и бомбардируют их, в результате чего протекает процесс квантового преобразования низкоэнергетичных аэроионов О₂ ^1- в высокоэнергетичные аэроионы О₂ ^2- _{высокой} концентрации.

Суммарное электрическое поле, созданное внутри полости объемного электрода, обеспечивает поляризацию аэроионов О ₂ ^2- и молекул нейтрального кислорода О₂ ⁰. В результате взаимных соударений поляризованных аэроионов О ₂ ^2- и молекул нейтрального кислорода O₂ ⁰ в процессе движения по силовым линиям суммарного электрического поля, а также в результате межмолекулярных сил кулоновского диполь-дипольного притяжения аэроионы О₂ ^2- и молекулы нейтрального кислорода О₂ ⁰ объединяются в многозвенные аэроионные комплексы (концентрированные аэроионы) вида (2 О ₂ ^2-+4 О₂ ⁰)×n. Система активных электродов и система пассивных электродов равномерно распределяют поток электронов от центра к периферии, а уравнивание электрических потенциалов активных электродов между собой и электрических потенциалов пассивных электродов между собой обеспечивает устойчивую совместную работу каждой пары: активный электрод - пассивный электрод.

Вышеприведенные мероприятия создают однородность и линейность суммарного электрического поля в полости объемного электрода, что, во-первых, обеспечивает равномерность концентрации (плотности потока) аэроионных комплексов от центра к периферии, во-вторых, увеличивает число связей в упомянутых многозвенных комплексах, которое определяется числом 1000 и более.

В процессе образования многозвенных комплексов происходит "захват" электрона молекулой нейтрального кислорода с выделением части энергии в виде фотона, при этом энергия возбужденного состояния аэроиона О₂ ^2- уменьшается на величину энергии сродства к электрону, а внешняя энергия аэроионного комплекса составляет малую величину, около 2 эВ. Малая внешняя энергия многозвенных комплексов повышает их устойчивость к энергетической деградации как при броуновских соударениях во внешнем пространстве, так и при вдыхании, в условиях высокой влажности дыхательной системы человека. Время жизни многозвенных аэроионных комплексов составляет 25-30 с и более. Суммарное электрическое поле объемного электрода увеличивает интенсивность "ионного ветра", что увеличивает (до 1,5 м и более) дальность распространения во внешнем пространстве аэроионных комплексов. Электроизоляция активных электродов от точек подключения до острий устраняет генерирование озона.

Воздухоочистка перед ионизацией снижает попадание пылевых частиц на внутренние элементы конструкции объемного электрода.

На фиг.1 представлена схема построения генератора-концентратора аэроионов.

На фиг.2 показан разрез А-А объемного электрода.

Генератор-концентратор аэроионов содержит двухступенчатый ионизирующий элемент, включающий объемный электрод 1 высокоэнергетичной ступени ионизации, выполненный в виде "клетки" Фарадея, содержащей полость 2, входную токопроводящую воздухопроницаемую сетку 3. Входная сетка установлена в полости объемного электрода, электроизолирована от корпуса объемного электрода 1 и электрически подключена через резистор R₁ к отрицательному выводу высоковольтного источника постоянного тока. На входной сетке размещена система активных электродов низкоэнергетичной ступени ионизации (первой ступени), состоящая из двух и более заостренных токопроводящих активных электродов 5. Электроды 5 установлены равномерно с шагом, равным или больше длины электрода 5, электрически подключены к наружной стороне к входной сетки 3, при этом электрические потенциалы острий уравнены между собой и электроизолированы от точки подключения до острия электроизоляционным чехлом 6. Острия электродов введены в полость 2 объемного электрода через систему отверстий во входной сетке, направлены в сторону выходной трехмерной сетки по оси движения аэроионов. Острия электродов 5 выполнены из металла с низким коэффициентом линейного расширения и защищены от электрохимической коррозии гальваническим покрытием.

В корпусе 1 в направлении выходной сетки 10 по оси движения аэроионов на расстоянии, равном или меньшем расстояния между активными электродами, установлена система пассивных электродов, состоящая из двух и более блоков 8. Блок пассивных электродов выполнен в виде короны и содержит четыре и более пассивных электродов. Каждый пассивный электрод изготовлен из токопроводящей пластины в форме равнобедренного треугольника, поверхность электрода защищена гальваническим покрытием. По основаниям треугольников пассивные электроды электрически соединены между собой и образуют геометрическую поверхность в виде равносторонних четырехугольника или многоугольника. Сторона четырехугольника или многоугольника, образующая основание блока пассивных электродов, выполнена менее высоты пассивного электрода. Вершины пассивных электродов, входящие в блок пассивных электродов, притуплены, а их электрические потенциалы уравнены между собой. Вершины пассивных электродов направлены в сторону выходной трехмерной сетки по оси движения аэроионов. Блоки 8 пассивных электродов размещены равномерно друг от друга на расстоянии, равном или более высоты пассивного электрода, смонтированы на токопроводящем основании 7 и электрически связаны между собой. Смонтированные блоки пассивных электродов образуют систему пассивных электродов. Количество блоков пассивных электродов, входящих в систему пассивных электродов, равно количеству активных электродов, входящих в систему активных электродов, а их оси симметрии совмещены. Система пассивных электродов установлена электроизолированно от токопроводящего корпуса объемного электрода 1.

Диэлектрический экран 2 установлен перед входной сеткой 3 на расстоянии менее высоты пассивного электрода в изолированном воздуховоде 4, соединенном герметично с корпусом объемного электрода, и выполнен в виде фильтрующего элемента из воздухопроницаемого материала. Токопроводящая выходная трехмерная сетка 10 электрически соединена с корпусом объемного электрода 1 высокоэнергетичной ступени ионизации и выполнена в виде решетки глубиной h, размер которой больше или равен стороне ячейки а.

Корпус объемного электрода 1 выполнен слоистым, причем наружные слои выполнены диэлектрическими, внутренний - электропроводным, соединенным посредством резистора R ₂ с заземленным положительным выводом.

Высоковольтный источник постоянного тока может быть выполнен, например, по патенту РФ №2014851, МКИ⁷ А 61 №1/44, 1994 г.

Генератор-концентратор аэроионов работает следующим образом.

При подаче на входную сетку 3 высокого отрицательного напряжения постоянного тока внутренняя поверхность фильтрующего элемента 11, выполненная из диэлектрика, электризуется и на ней образуется поверхностный отрицательный электростатический заряд Q ₁. Заряд Q₁ формирует асимметричное электрическое поле Е₁), которое поляризует находящиеся вблизи диэлектрика молекулы нейтрального кислорода О₂ ⁰. Поляризованные молекулы под действием электрического поля E₁ дрейфуют в направлении входной сетки 3.

Острия активных электродов, имеющие электрический потенциал Q ₂, равный напряжению высоковольтного источника постоянного тока, создают во внутренней полости 2 объемного электрода электрическое поле Е₂ напряженностью 10 ⁷-10⁸ В/м. Под действием электрического потенциала Q₂ и электрического поля Е ₂ происходит отекание (эффлювий) электронов в результате холодной эмиссии, что вызывает тихий коронный разряд вблизи острия, сопровождающийся автоэлектронной эмиссией. Электроны ионизируют молекулы газов. В зоне ионизации электроны при встрече с молекулами газов "выбивают" из них вторичные электроны, в результате чего образуются положительные ионы газов, которые притягиваются к электродам и бомбардируют острия. Бомбардировка вызывает нагрев острий до температуры слабого свечения. При разогреве острий протекает процесс термоэлектронной эмиссии.

Упомянутые выше процессы эмиссии электронов, протекающие одновременно, обеспечивают в зоне ионизации высокую концентрацию электронов, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации молекул нейтрального кислорода O₂ ⁰ первой ступени ионизации. В зоне ионизации активных электродов 5 образуются преимущественно аэроионы О₂ ^1- и псевдоаэроионы О₂ ^(1-).

Свободные аэроионы е^-- и псевдоаэроионы О₂ ^(1-) образуют в полости 2 объемный заряд Q₃ , который формирует однородное линейное электрическое поле напряженностью Е₃, направленное из полости 2 к внутренней стороне выходной сетки, имеющей по свойствам "клетки" Фарадея нулевой электрический потенциал. Электрическое поле Е ₃ поляризует продукты ионизации, которые получают жесткую пространственную ориентацию по силовым линиям. Объемный заряд Q₃ образует поверхностный электрический потенциал Q_q=Q₃ внутренней поверхности диэлектрика 4. Электрический потенциал Q _q, в результате кулоновского взаимодействия, отталкивает сформированные аэроионы О₂ ^1- от внутренней поверхности корпуса 1 объемного электрода и уплотняет (сжимает) их поток. Повышается их концентрация. Под действием электрического поля Е₃ аэроионы O₂ ^1- движутся по силовым линиям к внутренней стороне выходной трехмерной сетки 10.

Свободные электроны е^--, стекающие с острий активных электродов, образуют электрический заряд Q _пасс на поверхностях системы пассивных электродов 7. Электрический заряд Q_пасс вызывает автоэлектронную эмиссию, в результате которой стекают дополнительные электроны е ^--. Кинетическая энергия этих электронов е ^-- увеличивается по мере приближения к вершинам электродов. Поток дополнительных электронов е^-- воздействует двояко. С одной стороны, свободные электроны е ^-- на основе кулоновских сил отталкивания сжимают поток аэроионов О₂ ^1-, увеличивая их концентрацию, а с другой стороны, имея кинетическую энергию, достаточную для вторичной ионизации низкоэнергитичных аэроионов О₂ ^1- и их квантового преобразования, формируют высокоэнергетичные аэроионы О₂ ^2-.

В процессе движения по силовым линиям электрического поля Е ₃ и взаимных соударений, поляризованных в электрическом поле Е₂ и Е₃ молекул, между ними возникают кулоновские силы межмолекулярного взаимодействия, которые объединяют высокоэнергетичные аэроионы О ₂ ^2- с молекулами нейтрального кислорода О₂ ⁰, благодаря их сродству к электрону, в многозвенные комплексы вида (2 О ₂ ^2-+4 О₂ ⁰)×n, где n - количество связей, которое равно или превышает 1000. При образовании комплекса происходит "захват" электронов молекулой нейтрального кислорода, с выделением части энергии в виде фотона. В результате энергия возбужденного состояния двух аэроионов О₂ ^2- , входящих в состав комплекса (2О₂ ^2-+4О₂ ⁰), уменьшается на величину энергии сродства к электрону. Четыре молекулы нейтрального кислорода О₂ ⁰, структурно находящиеся в комплексе (2О ₂ ^2-+4О₂ ⁰) симметрично поверх высокоэнергетичных аэроионов О ₂ ^2-, выполняют функцию защитной оболочки. Внешняя энергия комплексов (2 О₂ ^2-+4 О₂ ⁰)×n значительно уменьшается и составляет около 2 эВ. Последние обстоятельства увеличивают время жизни аэроионных комплексов (2 О₂ ^2- +4 O₂ ⁰)×n с 0,5-1,5 с до 25-30 с, т.е. повышается их устойчивость к энергетической деградации в условиях внешнего пространства помещения и в условиях высокой влажности воздуха при их транспортировке по дыхательным путям человека.

Часть свободных электронов е ^--, стекающих с острий активных электродов, осаждается на элементах системы пассивных электродов и образует электрический заряд Q₄, который в пространстве У между остриями пассивных электродов и внутренней поверхностью выходной сетки, имеющей нулевой потенциал, формирует линейное однородное электрическое поле напряженностью Е₄, силовые линии которого направлены по оси движения аэроионов. В результате взаимодействия суммарного отрицательного заряда многозвенных комплексов (2О₂ ^2- +4О₂ ⁰)×n с электрическим полем Е₄ последние приобретают дополнительную кинетическую энергию движения (благодаря тому, что суммарная масса комплексов превышает массу одиночного аэроиона) и инерционные силы выталкивают многозвенные комплексы через ячейки выходной трехмерной сетки, при этом они преодолевают без изменения траектории электрический барьер, создаваемый зарядом Q ₅ внешней стороны выходной сетки. Одиночные легкие аэроионы О₂ ^1-; O ₂ ^2-, свободные электроны е ^-- и псевдоаэроионы О₂ ^(1-), имеющие относительно малую массу, не выходят во внешнее пространство, т.к. их кинетическая энергия движения недостаточна для преодоления упомянутого электрического барьера заряда Q ₅. Свободные аэроионы е^-- и псевдоаэроионы О₂ ^(1-) пополняют заряд Q₅, который определяется и регулируется величиной резистора R₂ исходя из соотношения Q₅=U=I×R₂, где I - ток утечки. Выходная решетка выполняет функцию фильтра псевдоаэроионов О₂ ^(1-).

Часть легких одиночных аэроионов О₂ ^1- и О₂ ^2- изменяет траекторию движения, возвращается во внутреннюю полость объемного электрода и участвует в процессах формирования комплексов (2 O₂ ^2-+4 О ₂ ⁰)×n.

Направленное движение аэроионных комплексов в полости объемного электрода создает "ионный ветер", при этом взамен ушедшего ионизированного воздуха поступает в полость свежий воздух, очищенный фильтрующим элементом 11.

Предлагаемый генератор-концентратор аэроионов может быть использован для лечения ряда заболеваний человека путем прямого воздействия через органы дыхания или кожный покров, а также при применении в комплексе с методами лечения лекарствами и общепринятыми техническими средствами физиотерапии; для профилактики здоровья человека в бытовых и санаторно-оздоровительных условиях; для создания безвредных условий труда по ионному составу воздуха на рабочих местах; в закрытых кабинах для восстановления ионного состава воздуха с целью обеспечения жизнедеятельности экипажа; для повышения умственной и физической работоспособности.