УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЕНТИЛЯЦИИ, ИОНИЗАЦИИ И ОЗОНИРОВАНИЯ ЧЕТВЕРГОВА Российский патент 2004 года по МПК F24F3/16 C01B13/11 

Изобретение относится к области электростатики и разряда в газах и может использоваться как электростатический двигатель небольшой мощности, как вентилятор, как ионизатор и как генератор озона.

Известны устройства [1, 2], в которых электрический ветер, стекающий с остриев, приводит во вращение легкий крест из металлических проволок - колесо Франклина. В одном случае, электрический отрицательный потенциал подается на легкий крест, который может вращаться на вертикальной оси. Во втором - легкий крест приходит во вращение на вертикальной оси при помещении его в однородное электрическое поле, созданное пластинами конденсатора.

Недостатком известных устройств является то, что вращение колеса Франклина обусловлено только слабыми силами отталкивания заряженных частиц (ионов, электронов) от острия креста и поэтому известные устройства представляют собой демонстрационные приборы по электростатике с легким по массе электрическим ротором на вертикальной оси.

Из области разряда в газах известно портативное устройство [3] для озонирования воздуха, оно взято за прототип, которое содержит высокочастотный генератор, умножитель напряжения и разрядник, заключенные вместе с вентилятором и перемещаемые рукой в электробезопасном и озоноустойчивом корпусе с ручкой. Разрядник изготовлен из нержавеющей стали в форме цилиндра и содержит наружный и внутренний электроды, последний имеет форму шайбы с развернутыми лопастями и прикреплен соосно и с зазором к наружному электроду. Между электродами образуется коронный разряд, который и является причиной образования озона. Вентилятор перемещает воздух через внутренний объем разрядника. Внутренний электрод в форме шайбы с развернутыми лопастями улучшает характеристики коронного разряда и способствует образованию закрученной струи на выходе из разрядника.

Недостатками портативного озонатора воздуха являются использование отдельно выполненных элементов в устройстве вентилятора и разрядной камеры, а также отдельных источников питания для них, и еще в необходимости для завихрения потока иметь шайбу с развернутыми лопастями, что усложняет конструкцию.

Техническим результатом изобретения является создание упрощенного, компактного и экономичного устройства для вентиляции, ионизации и озонирования помещений.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для вентиляции, ионизации и озонирования Четвергова, содержащем металлический ротор с лопастями, насаженными на ось, концы которой опираются на подшипники, и источник питания, новым является то, что имеется (n+1) электродов, лопасти ротора выполнены выпуклыми и развернуты на угол α относительно плоскости вращения, внешнее ребро длиннее внутреннего и расстояние между лопастями ротора и электродами выполнено изменяемым, где n - число электродов. И когда n=0, электрод изготавливается в форме полого цилиндра, внутри которого помещается ротор.

Устройство содержит камеру (корпус) из изоляционного материала, внутри которой помещается металлический ротор с лопастями в форме крыльчатки, насаженный на ось, концы которой опираются на подшипники, (n+1) электродов (в виде отрезков провода или остриев), расположенных вокруг ротора (в направлении радиуса ротора) на расстоянии большем, чем максимальный радиус ротора. Стороны (ребра) лопастей по ходу вращения ротора имеют выпуклый вид и по длине больше, чем другие. Можно использовать один электрод в виде металлического цилиндра, внутри которого на опорах помещается ротор с лопастями. От источника питания на электроды подается постоянный электрический потенциал одного знака, а на ротор - потенциал другого знака. За счет сил взаимодействия электрических полей и зарядов на электродах и роторе, а также сил отталкивания заряженных частиц от остриев, ротор получает вращение вокруг своей оси, т.е. устройство работает как электростатический двигатель. Скорость вращения и момент силы, приложенный к ротору относительно оси, зависит от величины электрического потенциала между электродами и лопастями ротора, от расстояния между электродами и лопастями ротора, от числа электродов и от геометрической формы лопастей ротора. Если лопасти вентилятора развернуты на угол α относительно плоскости вращения ротора, электростатический двигатель будет выполнять функцию вентилятора для перемещения потока воздуха. Если расстояние между электродами и лопастями ротора будет больше, чем промежуток для коронного разряда (для данного электрического напряжения), то электростатический двигатель с вентилятором будут выполнять функцию ионизатора воздуха. Если промежуток между электродами и лопастями вентилятора больше, чем искровой разряд по воздуху, то в этом случае возникает коронный разряд, вырабатывающий озон, а электростатический двигатель с вентилятором будут выполнять функцию генератора озона.

Данное устройство проявляет новые свойства: за счет сил электростатического взаимодействия между электродами и лопастями ротора возрастает момент сил, действующих на ротор. Совмещение функций двигателя, вентилятора и разрядной камеры в одном делает конструкцию простой и удобной. Направление вращения ротора зависит от формы лопастей и не зависит от перемены полярности (знака электрического потенциала) между электродами и ротором. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг.1 показано устройство в сборе.

1 - камера (корпус);
2 - ротор с лопастями;
3 - ось вращения;
4 - подставка с опорой;
5 - электроды.

На фиг.2 показано устройство по п.1.3.

2 - ротор с лопастями;
3 - ось вращения;
4 - подставка с опорой;
5 - электрод цилиндрический.

Устройство для вентиляции, ионизации и озонирования, фиг.1, содержит камеру (корпус из диэлектрика) 1, в которую помещается металлический ротор с лопастями 2, насаженный на металлическую ось 3, концы (цапфы) которой опираются на подшипники скольжения (цилиндрические опоры) или опоры на центрах, установленных на подставке 4 из диэлектрического материала. С боков камеры в плоскости вращения ротора устанавливаются электроды 5 (в виде отрезков металлического провода, пластины, острия (n+1) штук, где n - число электродов (n= 0, 1, 2, 3...) в любом порядке на расстоянии от лопастей ротора большем, чем расстояние искрового разряда провода по воздуху.

На фиг. 2 показано устройство с одним электродом 5 в виде полого цилиндра, который может служить одновременно или корпусом или камерой устройства.

Устройство работает следующим образом. От источника постоянного напряжения на электроды 5 подается электрический потенциал одного знака, а на ротор 2 через ось 3 - другого знака. За счет взаимодействия электрических полей от ротора с лопастями и электродов и их электрических зарядов ротор получает вращение в направлении, указанном на фиг.1, 2 символом <-- ω. Каждая сторона (ребро) АВС лопасти ротора выполнена так, что в направлении вращения постепенно увеличивается по радиусу (от А до С) и заканчивается острым концом (точка С), например по дуге окружности, эллипса или прямой линии. При наличии какого-либо электрического потенциала на роторе электрический заряд распределяется на стороне АВС неравномерно: плотность заряда растет от точки А до точки С, где она будет максимальной. На другой стороне (ребро D) лопасти заряд равен нулю. Плотность электрического заряда в любой точке на стороне лопасти АВС также будет зависеть от электрического поля электродов 5 за счет наведенной электрической индукции, т.е. распределенная плотность зарядов на стороне АВС лопасти будет взаимодействовать с электрическими полями электродов 5 с силой
F=qE, (1)
где F - сила, действующая на электрический заряд (размерность Н);
q - электрический заряд на единицу длины ребра АВС (размерность Кл);
Е - напряженность электрического поля от электродов (размерность В/м).

Так как электрические заряды на лопасти и электроде противоположны по знаку, то электрические силы притяжения будут направлены от лопасти к электроду навстречу друг другу и создают момент силы относительно оси вращения ротора

где М - момент силы (Н•м);
F - сила, действующая на электрический заряд (Н);
R - расстояние заряда от точки вращения (м).

Ротор с лопастями начинает вращаться относительно своей оси. Момент силы быстро растет как за счет увеличения плотности электрического заряда вдоль стороны лопасти АВС по ходу вращения, так и за счет уменьшения расстояния между электродом и лопастью.

В формуле (2) радиус R меняется от точки А до точки С, а для силы F берется только составляющая, перпендикулярная радиусу R.

К электрическим силам взаимного притяжения между лопастями и электродом добавляются силы отталкивания заряженных частиц от острых концов лопастей (точка С). Силы отталкивания заряженных частиц от остриев или "электрический ветер" слабы, когда имеем дело только с одним каким-либо электрическим потенциалом по знаку либо на роторе, либо на электродах. В этом случае ротор либо не получает вращения, либо вращение очень слабое и очень зависит от величины электрического потенциала, т.е. силы отталкивания заряженных частиц от остриев приводят во вращение легкие по массе фигуры на вертикальной оси. Когда электрический потенциал одного знака подается на ротор с лопастями, а потенциал другого знака на электроды (или один электрод в виде полого цилиндра) ротор получает очень быстрое вращение с большим моментом силы, способный выполнять дополнительные функции, например вентилятора или электростатического двигателя небольшой мощности.

Скорость вращения ротора зависит от величины электрического напряжения на электродах и роторе, от расстояния между электродами и лопастями ротора, от числа электродов, геометрической формы лопастей ротора и коэффициента трения в опорах (подшипниках).

Если лопасти ротора развернуть на угол (от 0 до 45^o) относительно плоскости вращения, то получится вентилятор, совмещенный с электростатическим двигателем. Концентрация и направление газового потока или воздуха осуществляется корпусом и развернутыми лопастями ротора.

В том случае, когда расстояние между электродами (или одним электродом в виде полого цилиндра) и лопастями ротора больше, чем промежуток для коронного разряда, электростатический двигатель, совмещенный с вентилятором, будет работать как ионизатор воздуха. В сильном электрическом неоднородном поле от электродов и лопастей молекулы воздуха поляризуются и втягиваются в область сильного электрического поля и ионизируются. Навстречу этому потоку от электродов создается встречный поток заряженных частиц (ионизированные молекулы, электроны). Ротор с развернутыми лопастями (вентилятор) образует направленный поток газа из камеры наружу.

Если расстояние между электродами и лопастями ротора чуть больше, чем искровой разряд по воздуху, то между электродами (или одним электродом в виде полого кругового цилиндра) и лопастями ротора возникает коронный разряд.

На фиг. 1 штрихпунктирной линией показано свечение коронного разряда от одного электрода. Для электрода в виде полого цилиндра (фиг. 2) свечение занимает всю площадь между концами лопастей и внутренней стенкой цилиндра в виде замкнутого кольца.

Коронный разряд [4] вырабатывает озон О₃ из молекул кислорода О₃. Энергии электрического поля достаточно для ионизации молекулы кислорода до атомарного или возбужденного атома, который затем по химической реакции с молекулой кислорода образует озон. В данном варианте электростатический двигатель, совмещенный с вентилятором, работает как генератор озона.

Устройство (электростатический двигатель, вентилятор, ионизатор, генератор озона) испытано от источника высокого постоянного напряжения (10-30) кВ, собранный по схеме для люстры Чижевского [5]. Кстати, устройство (ионизатор) можно применить вместо люстры в настольном или потолочном исполнении для ионизации и вентиляции воздуха в помещении.

Размеры камеры (корпуса) имели величину (115•115) мм² в сечении по плоскости вращения ротора. Размеры электрода (корпуса) в виде полого цилиндра диаметром 110 мм. Максимальный размер диаметра ротора с лопастями 70 мм. Промежуток между электродами (2 штуки) и лопастями ротора для коронного разряда - 20 мм и напряжение между электродами и ротором 20 кВ. Ротор с лопастями вырезан из листа нержавеющей стали толщиной 0,2-0,3 мм. Момент силы зависит от числа лопастей ротора. С увеличением их растет составляющая силы электрического взаимодействия в направлении радиуса вращения ротора и уменьшается составляющая силы в направлении, перпендикулярном радиусу. Ось вращения (вал металлический) диаметром 2-2,5 мм. Подставка для опор (подшипников) выполнена из изоляционного материала (винипласт). Использовались подшипники скольжения (цилиндрические опоры) или опоры на центрах.

Источники информации
1. Б.Ф.Биллимович. "Физические викторины в средней школе", Просвещение, 1966.

2. Д. В. Сивухин. "Общий курс физики", том 3, Электричество, М., Изд-во "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1977.

3. Патент СССР, 1984 г., 1801192 A3, F 24 F 3/16, прототип.

4. Ю.В. Филиппов, В.А. Вобликова, В.И.Пантелеев. "Электросинтез озона", изд-во Московского университета, 1987 г.

5. В. И. Коровин. "Малогабаритный аэроионизатор", Радио, 2000, 3, стр. 29-31.

Изобретение относится к электростатике и разряду в газах и может использоваться как электростатический двигатель небольшой мощности, вентилятор, ионизатор и генератор озона. Устройство содержит металлический ротор с лопастями, насаженными на ось, концы которой опираются на подшипники, и источник питания, имеется n+1 электродов, лопасти ротора выполнены выпуклыми и развернуты на угол от 0 до 45^o относительно плоскости вращения, а внешнее ребро длиннее внутреннего и расстояние между лопастями ротора и электродами выполнено изменяемым, где n - число электродов. Техническим результатом изобретения является создание упрощенного, компактного и экономичного устройства для вентиляции, ионизации и озонирования помещений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для вентиляции, ионизации и озонирования Четвергова, содержащее металлический ротор с лопастями, насаженными на ось, концы которой опираются на подшипники, и источник питания, отличающееся тем, что имеет (n+1) электродов, лопасти ротора выполнены выпуклыми и развернуты на угол от 0 до 45° относительно плоскости вращения, внешнее ребро длиннее внутреннего и расстояние между лопастями ротора и электродами выполнено изменяемым, n - число электродов.2. Устройство для вентиляции, ионизации и озонирования по п.1, отличающееся тем, что имеет один электрод, выполненный в форме полого цилиндра, внутри которого помещается ротор.