АДАПТИВНЫЙ МНОГОРАЗРЯДНЫЙ ИОННО-ОЗОНАТОР ВОЗДУХА Российский патент 2001 года по МПК F24F3/16 

Изобретение относится к приборостроительной технике получения озона и ионизации воздуха и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства и в двигателях внутреннего сгорания, где необходимо повышение химической активности кислорода воздуха с одновременным уменьшением его количества, очистки от примесей твердых и жидких частиц, снижением токсичности отработанных газов, образующихся при сгорании любых видов топлива, а также в бытовой и медицинской технике для улучшения санитарно-гигиенических параметров воздуха в окружающей среде обитания, работы и отдыха человека.

Известен многоразрядный ионизатор воздуха [1], содержащий корпус с соосно и параллельно расположенными металлическими решетками, снабженными электрическими выводами для соединения их попеременно с источником положительного и отрицательного напряжения. Решетки делаются гибкими с возможностью искривления поверхности решеток под действием потока всасываемого воздуха, например, работающим двигателем автомобиля. Происходит перемещение электрического разряда по объему ионизатора, что приводит к переходу кислорода воздуха в озон, а оставшийся кислород за счет электрического поля решеток и ультрафиолетового излучения разрядов ионизируется, что несколько повышает химическую активность воздуха и увеличивает полноту сгорания топлива.

Ближайшим аналогом является устройство для озонирования воздуха [2], содержащее корпус, который разделен на ионизирующую и озонирующую зоны, в которых установлены электроды, соединенные с источником напряжения. В воздуховоде устройства установлена разделительная металлическая диафрагма, через отверстие которой сообщены между собой ионизирующая и озонирующая камеры. Один игольчатый электрод расположен в ионизирующей камере по ходу движения потока обрабатываемого воздуха, а его острый конец может быть размещен в плоскости диафрагмы. Второй игольчатый электрод расположен в озонирующей камере навстречу потоку. Его острый конец расположен на некотором расстоянии от диафрагмы не большем, чем диаметр воздуховода. Игольчатые электроды установлены аксиально относительно отверстия диафрагмы и по оси воздуховода, а диафрагма заземлена. На первый игольчатый электрод подают высокое напряжение отрицательной полярности, а на второй - положительной полярности. При прохождении потока воздуха через отверстие диафрагмы и озонирующую камеру образуются сначала отрицательно заряженные ионы кислорода, а затем - озон. При обработке воздуха в ионизирующей камере используют электрическое поле с пониженной напряженностью, что значительно снижает степень ионизации молекул азота, присутствующих в воздухе.

Недостатками этих устройств является то, что происходит перегораживание набором решеток или разделительной диафрагмой потока воздуха и затрудняется его перемешивание из-за отсутствия эффекта закручивания, размеры активных зон ионизации и озонирования малы и постоянны во времени, отсутствуют элементы автоматической регулировки размеров активных зон и устройства не обладают адаптивными свойствами к колебаниям в сечении и по длине воздуховода скорости и давления потока воздуха, а также к изменению его химико-физических свойств (температура, влажность и т.д.). Это существенно искажает характеристики потока, например увеличивается скорость его прохождения через решетки и отверстие диафрагмы, что вызывает колебания давления и уменьшение времени пребывания воздуха в активных зонах ионизаторов и приводит к частичному переходу кислорода в озон и его ионизация, и соответственно приводит к неполному озонированию и ионизации воздуха, в результате чего происходит неполное сгорание топлива и существенно снижается эффективность и производительность ионизаторов.

Задача изобретения заключается в устранении перегораживающих поток воздуха элементов для снижения и стабилизации гидродинамического сопротивления в воздуховоде, равномерного перемешивания его и получении минимального влияния на основные характеристики потока за счет конструктивных особенностей элементов, изменений размеров площади активной поверхности и объема озонирующей зоны, регулировании межэлектродного расстояния за счет изменения скорости и давления потока при трении о стенки воздуховода, а также от изменения физико-химических параметров воздуха (температура, влажность, запыленность, величина внешнего давления и т.п.) и параметров источника напряжения, способствующих изменению размера и формы активной зоны по сечениям озонатора, обеспечивающих равномерность и высокую эффективность процессов озонирования и ионизации кислорода воздуха, что ведет к значительному повышению химической активности кислорода воздуха, позволяет экономить и использовать топливо более низкого качества при полном его сгорании с одновременным уменьшением количества воздуха и снижением степени токсичности отработанных газов, а также расширяет возможности устройства за счет регулирования и адаптации его параметров к различным типам двигателей внутреннего сгорания.

Задача достигается предлагаемым ионно-озонатором за счет того, что устройство, содержащее корпус, ионизирующую и озонирующие зоны, сообщенные между собой через отверстие дополнительно установленной в воздуховоде разделительной металлической диафрагмы, игольчатый электрод ионизирующей камеры расположенный по ходу движения потока обрабатываемого воздуха, игольчатый электрод озонирующей камеры, расположенный навстречу потоку воздуха, причем игольчатые электроды установлены аксиально относительно отверстия разделительной диафрагмы и по оси воздуховода, а металлическая диафрагма заземлена, причем конец игольчатого электрода ионизирующей камеры расположен в плоскости разделительной диафрагмы, а конец игольчатого электрода озонирующей камеры установлен на расстоянии от плоскости диафрагмы не меньшем, чем диаметр отверстия диафрагмы, и не большем, чем диаметр воздуховода, а также содержащее корпус с соосно и параллельно расположенными гибкими металлическими решетками с возможностью хаотического искривления под действием турбулентного воздушного потока в пределах не менее критического расстояния пробоя искрового разряда соседних решеток и не более межэлектродного расстояния, отличается тем, что в корпусе жестко закреплена в пластмассовых установочных планках с аэродинамическими срезами по центру воздушного потока цельная металлическая ось с заостренными с одной или двух сторон и расположенными по окружности или нескольким окружностям определенного диаметра концами равной и заданной длины, одни из концов которой направлены навстречу (и/или против) движения потока воздуха и размещены в плоскости заземленного кругового электрода или электродов, образуя входную ионизирующую зону, вторые направлены по ходу (и/или против) движения потока и размещены в плоскости другого заземленного электрода или электродов, образуя выходную равную или отличную входной ионизирующую зону, при этом один из полюсов источника напряжения соединен с осью, параллельно и соосно которой расположен пакет из вставленных друг в друга цилиндров из гибких металлических сеток с ячейками произвольной формы и размеров с возможностью расчетного искривления поверхности каждого из цилиндров и изменения их формы под действием силы центростремительного давления, возникающей при постоянном расходе воздуха через сечение воздуховода из-за разных скоростей вращения и движения потока и под действием силы регулировочных винтов, и с возможностью хаотического вибрирования (дрожания) поверхностей цилиндров под действием турбулентности воздушного потока в пределах не менее критического расстояния пробоя искрового разряда на поверхностях соседних цилиндров и оси, как одного из внутренних цилиндров, и не более межэлектродного расстояния, определяющих зону гарантированного электропробоя, образующие активную озонирующую зону, и которые снабжены электрическими вводами для соединения попеременно в случайные моменты времени с положительными и отрицательными полюсами источника напряжения;
тем, что цилиндры пакета, вставленные друг в друга выполнены равной длины из гибких металлических сеток с ячейками различных размеров прямоугольной или квадратной формы;
тем, что цилиндры пакета, вставленные друг в друга, выполнены разной длины из гибких металлических сеток с ячейками равных размеров прямоугольной и квадратной формы.

На фиг. 1 показан предлагаемый адаптивный многоразрядный ионно-озонатор воздуха (внешний вид), на фиг. 2 - вид А.

Ионно-озонатор содержит пластмассовый корпус 1 и жестко закрепленную в пластмассовых установочных планках 2 с аэродинамическими срезами корпуса по центру воздушного потока цельную металлическую ось 3 с заостренными с одной или двух сторон и расположенными по окружности или нескольким окружностям концами 4 равной длины. Одни заостренные концы 4 направлены навстречу (и/или против) движения потока воздуха и размещены в плоскости заземленного кругового электрода или электродов 5, образуя входную ионизирующую зону 6. Вторые заостренные концы 4 металлической оси 3 направлены по ходу (и/или против) движения потока и размещены в плоскости другого заземленного кругового электрода или электродов 5, образуя выходную ионизирующую зону 7. Один из полюсов источника напряжения соединен с осью 3 и заостренными концами 4 электрическими контактами 8.

Параллельно и соосно металлической оси 3 расположен пакет вставленных друг в друга цилиндров 9 из гибких металлических сеток с ячейками произвольной формы и размеров или с ячейками разных размеров прямоугольной или квадратной формы или разной длины сеток с ячейками равных размеров прямоугольной или квадратной формы, образующие ионно-озонирующую зону 10 с постоянной или разной по сечению производительностью, соединенными с контактами 11 попеременно для подачи в случайные моменты времени на цилиндры 9 положительного и отрицательного напряжения.

Цилиндры вставлены друг в друга с возможностью искривления поверхностей каждого из цилиндров и изменения их формы под действием силы центростремительного давления, возникающей при постоянном расходе воздуха через сечение воздуховода из-за разных скоростей вращения и движения потока, и под действием силы регулировочных винтов и с возможностью хаотического вибрирования (дрожания) поверхностей цилиндров под действием турбулентного воздушного потока в пределах не менее критического расстояния пробоя искрового разряда на поверхностях соседних цилиндров и оси, как одного из внутренних цилиндров, и не более межэлектродного расстояния, определяющих зону гарантированного электропробоя, образующие активную ионно-озонирующую зону, и которые снабжены вводами для соединения попеременно в случайные моменты времени с положительными и отрицательными полосами источника напряжения.

Для обеспечения свободного хода цилиндров вдоль оси при изгибании их поверхностей из металлических сеток под действием центростремительной силы давления турбулентного воздушного потока, хаотического вибрирования поверхностей цилиндров и обеспечения их расчетного искривления с изменением формы на известную величину под действием силы натяжения или сжатия цилиндров 9 регулировочными винтами 12 цилиндры по периметрам оснований снабжены тонкими пластмассовыми ободками 13 жесткости, диаметр которых может при необходимости изменяться в заданных пределах, с металлизированными токопроводящими втулками 14 на них, соединенными с цилиндрами 9, которые свободно с заданным зазором скользят и вибрируют в металлизированных токопроводящих отверстиях 15 установочной планки 2, длина хода скольжения которых задается регулировочными винтами 12, амплитуда вибрирования задается размерами зазора между втулками 14 и отверстиями 15 планки 2, а случайная частота вибрирования определяет моменты времени для подачи на цилиндры 9 положительного и отрицательного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Поток воздуха обтекает круговой электрод или электроды 5, подключенный к одному из полюсов источника высокого напряжения, сообщая ему за счет изменяющихся параметров потока и воздуха хаотичные вибрирующие колебания, и поступает в устройство через входную ионизирующую зону 6, заостренные концы 4 которой, установленные на оси 3, подключены через контакты 8 к источнику высокого напряжения отрицательной или положительной полярности. Между круговым электродом 5 и заостренными концами 4 оси 3 возникает "тихий" электрический разряд, приводящий к образованию отрицательно заряженных ионов кислорода в воздушном потоке. Величина напряжения на оси 3 может регулироваться, так как за счет эффекта "стекания" электронов с заостренных концов 4 и вибрирования электрода 5 степень ионизации повышается, что позволяет уменьшать величину отрицательного потенциала на оси 3, снижая при этом степень ионизации в воздухе молекул азота и обеспечивая чистоту воздуха.

После входной ионизирующей зоны 6 воздушный поток, частично насыщенный отрицательными ионами кислорода, поступает на установочную планку 2, проходя через аэродинамические срезы, приобретает вращательное движение и поступает в ионно-озонирующую зону 10, в которой при подаче на сетки цилиндров 9 попеременно высокого напряжения положительной и отрицательной полярности обрабатываемый поток воздуха хорошо перемешивается и с некоторой скоростью проходит через объемный электрический разряд, возникающий между сетками цилиндров 9, а также осью 3. При прохождении воздуха через сетки цилиндров 9 озонатора поток обтекает и охлаждает со всех сторон все элементы этих цилиндров, которые практически не искажают характеристики потока за счет минимального их сопротивления, а неравномерность изменения потока воздуха по скорости и давлению за счет эффекта вращения, турбулентности, наличия центростремительной силы и зазоров между втулками 14 и отверстиями 15 на установочной планке 2 с аэродинамическими срезами обеспечивают хаотическое вибрирование цилиндров 9, а вследствие непостоянства физико-химических параметров воздуха (температура, влажность и т.п.), неравномерности нагрева сеток цилиндров из-за трения воздуха и электрических разрядов, неравномерности охлаждения элементов и т.п. изменяется их удельное сопротивление, что в целом изменяет электросопротивление в локальных зонах поверхностей цилиндров и заставляет искровой разряд с большой скоростью переноситься в другие локальные зоны, где сопротивление наименьшее, образуя объемную зону хаотических разрядов, в которой кислород воздуха эффективно переходит в озон. Ось 3 имеет потенциал одной полярности, а на ближайшей к ней сетке цилиндра 9 потенциал попеременно может изменяться, что и образует дополнительно к активной ионно-озонирующую зону за счет большой напряженности и неоднородности электрического поля, возникающего около токопроводящей оси 3 с большой кривизной. Одновременно ось 3 и наиболее близкий к ней цилиндр 9 с противоположным потенциалом образуют ионизирующий электрофильтр для дополнительной тонкой очистки воздуха от примесей твердых и жидких частиц.

Наличие регулировочных винтов 12 наряду с другими факторами позволяет изменять размеры и форму активной зоны 10 по сечениям озонатора, переводя ее от цилиндрической формы к бочкообразной под действием силы сжатия цилиндров 9 или к эллиптически-вогнутой форме под действием силы натяжения, длина предельного хода скольжения которых задается регулировочными винтами 12, что определяет допустимые границы изменения производительности озонатора.

Для повышения эффективности процесса ионизации на выходе активной зоны 10 поток воздушно-ионно-озоновой смеси проходит через установочную планку 2 с аэродинамическими срезами, приобретает дополнительную скорость вращения и поступает в выходную ионизирующую зону 7, в которой оставшиеся молекулы кислорода воздуха переходят в ионы кислорода, дополнительно повышая его химическую активность.

Таким образом, степень химической активности кислорода под совместным действием электроискровых и "тихих" разрядов значительно повышается, что позволяет экономить и использовать топливо более низкого качества при полном его сгорании с одновременным уменьшением количества воздуха, подаваемого в камеры сгорания, и снижением токсичности отработанных газов, а возможность путем регулирования величинами основных определяющих параметров элементов ионно-озонатора придает устройству свойства адаптации по изменению производительности озонатора в зависимости от факторов окружающей среды и типа двигателей, что существенно расширяет возможности устройства и значительно улучшает экологические характеристики двигателя.

Источники информации
1. Патент РФ N 2044418, кл. H 05 F 3/00, F 24 F 3/16, 1993.

2. Авторское свидетельство СССР N 154393, F 24 F 3/16, C 01 В 13/11, 1990.

Изобретение может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства и в двигателях внутреннего сгорания, где необходимо повышение химической активности кислорода воздуха с одновременным уменьшением его количества. Адаптивный многоразрядный ионно-озонатор воздуха содержит корпус, разделенный на ионизирующую и озонирующую зоны, в которых установлены электроды, соединенные с источником напряжения. В корпусе жестко закреплены в пластмассовых установочных планках с аэродинамическими срезами по центру воздушного потока цельная металлическая ось с заостренными с одной или двух сторон и расположенными по окружностям или нескольким окружностям концами равной длины, одни из концов которой направлены навстречу (и/или против) движения потока воздуха и размещены в плоскости заземленного кругового электрода или электродов, образуя входящую ионизирующую зону, вторые направлены по ходу (и/или против) движения потока и размещены в плоскости другого заземленного электрода или электродов, образуя выходную ионизирующую зону. Один из полюсов источника напряжения соединен с осью, параллельно и соосно с которой расположен пакет из вставленных друг в друга цилиндров из гибких металлических сеток с ячейками произвольной формы и размеров. Технический результат заключается в повышении степени химической активности кислорода под совместным действием электроискровых и "тихих" разрядов. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Адаптивный многоразрядный ионно-озонатор воздуха, содержащий корпус, который разделен на ионизирующую и озонирующую зоны, в которых установлены электроды, соединенные с источником напряжения, отличающийся тем, что в корпусе жестко закреплена в пластмассовых установочных планках с аэродинамическими срезами по центру воздушного потока цельная металлическая ось с заостренными с одной или двух сторон и расположенными по окружности или нескольким окружностям концами равной длины, одни из концов которой направлены навстречу (и/или против) движения потока воздуха и размещены в плоскости заземленного кругового электрода или электродов, образуя входную ионизирующую зону, вторые - направлены по ходу (и/или против) движения потока и размещены в плоскости другого заземленного электрода или электродов, образуя выходную ионизирующую зону, при этом один из полюсов источника напряжения соединен с осью, параллельно и соосно с которой расположен пакет из вставленных друг в друга цилиндров из гибких металлических сеток с ячейками произвольной формы и размеров с возможностью искривления поверхностей каждого из цилиндров и изменения их формы под действием силы центростремительного давления, возникающей при постоянном расходе воздуха через сечение воздуховода из-за разных скоростей вращения и движения потока, и под действием силы регулировочных винтов, и с возможностью хаотического вибрирования (дрожания) поверхностей цилиндров под действием турбулентного воздушного потока в пределах не менее критического расстояния пробоя искрового разряда на поверхностях соседних цилиндров и оси, как одного из внутренних цилиндров, и не более межэлектродного расстояния, определяющих зону гарантированного электропробоя, образующие активную ионно-озонирующую зону, и которые снабжены вводами для соединения попеременно в случайные моменты времени с положительными и отрицательными полюсами источника напряжения. 2. Адаптивный многоразрядный ионно-озонатор воздуха по п.1, отличающийся тем, что цилиндры пакета, вставленные друг в друга, выполнены равной длины из гибких металлических сеток с ячейками разных размеров прямоугольной или квадратной формы. 3. Адаптивный многоразрядный ионно-озонатор воздуха по п.1, отличающийся тем, что цилиндры пакета, вставленные друг в друга, выполнены разной длины из гибких металлических сеток с ячейками равных размеров прямоугольной или квадратной формы.