БИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИОНОВ Российский патент 2009 года по МПК F24F3/16 

Изобретение относится к технике обработки воздуха в жилых, лечебных, офисных и других обитаемых помещениях, не загазованных вредными примесями, и может быть использовано для обогащения воздуха ионами обоих знаков, снятия электростатических зарядов с различных предметов и одежды людей, очистки воздуха от пыли, бактерий и спор грибков.

Известно много различных по природе физических процессов естественного происхождения, которые участвуют в ионизации окружающего нас воздуха (смотри, например, Н.А.Капцов. Электрические явления в газах и вакууме. Госиздат. технико-теоретической литературы. М.-Л., 1950 г., стр.222-241, 589-604). Однако в технике искусственной ионизации воздуха нашли применение, преимущественно, генераторы ионов, в которых ионы создаются либо низкоэнергетичными β-активными изотопами, например, трития, углерода-14 или никеля-63 (смотри, например, SU 106280 А, 1957), либо коронным разрядом между двумя электродами (смотри, например, SU 842347 А, 30.06.1981, В.П.Реута).

Генераторы ионов, в которых используются β-активные изотопы, позволяют создавать наиболее близкую по качественному составу к природной искусственно ионизированную атмосферу простыми техническими средствами. Но правила техники безопасности при обращении с радиоактивными материалами по защите их от разрушения, условиям утилизации требуют наличия специальных служб контроля, что делает невозможным широкое применение таких генераторов ионов.

Генераторов ионов, в которых для ионизации воздуха используется коронный разряд между двумя электродами, на которые подается постоянное, пульсирующее или импульсное высоковольтное напряжение, разработано великое множество, но среди них нет ни одного, способного конкурировать по качественному составу создаваемых ионов с радиоактивными генераторами ионов.

В радиоактивных генераторах ионов процесс образования ионов идет непрерывно, причем ионы обоих знаков возникают парами. Одновременно с этим непрерывно идет процесс объемной рекомбинации ионов, при котором ионы разного знака, встречаясь, нейтрализуют заряды друг друга (подробнее об этих процессах смотри, например, Дж.Кэй, Т.Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. М. Госиздат. физ.-мат. литературы. 1962 г., стр.191-193 - о рекомбинации и стр.215-216 - об удельной ионизации заряженными частицами).

Наличие объемной рекомбинации ионов не позволяет большей части ионов «состариться» и превратиться в средние и тяжелые ионы, присутствие которых в воздухе нежелательно, если не сказать вредно для здоровья, хотя они и участвуют в очистке воздуха от пыли (О процессах образования и структуре атмосферных ионов подробно написано в статье: Eichmeier J. Beitrag zum Problem der Struktur der atmospharischen Kleinionen. - «Zeitschrift für Geophysik», 1968, Vol.34, S.297-322).

В конце этой статьи на рис.10 представлена схема процесса образования и структуры легких, средних и тяжелых ионов с указанием величины продолжительности жизни этих ионов.

В известных биполярных генераторах ионов, содержащих расположенные в продуваемом корпусе коронирующие электроды, подключенные к выходным шинам формирователя высоковольтного коронирующего напряжения, ионы создают пачками то одного, то другого знака с длительностью пачек от нескольких минут (смотри, например, US 3936698 А, 03.02.1979) до единиц миллисекунд.

И хотя эти пакеты разнополярных ионов перемещаются потоком воздуха, процесс рекомбинации ионов из этих пакетов начинается с задержкой, что приводит к образованию большого количества средних и тяжелых ионов, поскольку время жизни легких ионов лежит в интервале от 10^-4 до 100 сек - это время, в течение которого нерекомбинированный легкий ион обязательно столкнется с крупным конгломератом молекул или ядром конденсации и образует средний или тяжелый ион.

Прототипом может служить любой известный как биполярный, так и униполярный генератор ионов, содержащий расположенные в продуваемом корпусе коронирующие и ускоряющие электроды, но наиболее близким по функциональным возможностям является биполярный генератор ионов, содержащий расположенную в продуваемом корпусе группу коронирующих и ускоряющих электродов, подключенных к выходным разнополярным шинам формирователя высоковольтного коронирующего напряжения (смотри: RU 42629 U1, 10.12.2004, В.П.Реута, А.Ф.Туктагулов).

Поскольку в прототипе на коронирующие электроды подаются пачки однополярных импульсов то положительной, то отрицательной полярности, ионы обоих знаков появляются в воздухе также пачками то одной, то другой полярности, что приводит, как уже отмечалось выше, к образованию излишнего количества ненужных средних и тяжелых ионов.

Задачей является повышение равномерности распределения ионов обоих знаков в ионизируемом воздухе и улучшение за счет этого качества ионного состава воздуха.

Для этого биполярный генератор ионов, содержащий расположенную в продуваемом корпусе группу коронирующих и ускоряющих электродов, подключенных к выходным разнополярным шинам формирователя высоковольтного коронирующего напряжения, снабжен второй группой коронирующих и ускоряющих электродов, аналогичной первой группе таких электродов и расположенной рядом с ней, при этом коронирующие электроды первой группы электрически соединены с ускоряющими электродами второй группы, а ускоряющие электроды первой группы электрически соединены с коронирующими электродами второй группы.

На чертеже представлена схема электрическая принципиальная биполярного генератора ионов, созданная на базе вышеназванного прототипа. На ней принято стандартное обозначение элементов. Здесь в корпусе 1 установлены на изоляторах, которые на чертеже не показаны, две группы коронирующих 2 и 4 и ускоряющих 3 и 5 электродов, где коронирующие электроды 2 первой группы электрически соединены с ускоряющими электродами 5 второй группы, а ускоряющие электроды 3 первой группы электрически соединены с коронирующими электродами 4 второй группы, а обе группы электродов подключены к разнополярным выходам 6 и 7 формирователя высоковольтного коронирующего напряжения 8. Подлежащий ионизации воздух продувается через корпус 1 в направлении стрелок «А», а в направлении стрелок «В» и «С» выходит разнополярно ионизированный воздух. Если корпус 1 металлический, то он соединяется с общей шиной.

К выходным шинам 6 и 7 внутри формирователя 8 подключены разнополярные выводы вторичной 9 обмотки высоковольтного трансформатора 10, первичная обмотка 11 которого одним концом через вольтодобавочный конденсатор 12 подключена к выходу первого 13 переключателя напряжения, собранного по схеме комплементарного эмиттерного повторителя на комплементарной паре транзисторов Дарлингтона 14 и 15, базы которых объединены и подключены к выходу инвертора 16, вход которого объединен со входом второго 17 переключателя напряжения. Переключатель 17 выполнен аналогично переключателю 13 на комплементарной паре транзисторов Дарлингтона 18 и 19, а его выход соединен со вторым концом первичной обмотки 11 трансформатора 10. Объединенные входы инвертора 16 и переключателя 17 соединены с выходом логического элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 20, первый вход которого подключен к выходу регулятора концентрации ионов 21, представляющего собой высокочастотный генератор импульсов с регулируемой длительностью и частотой следования выходных импульсов положительной полярности. Генератор импульсов 21 собран на двух последовательно соединенных инверторах 22 и 23, где выход инвертора 23, являющийся выходом генератора 21, через времязадающий конденсатор 24 и развязывающий резистор 25 соединен со входом инвертора 22. Общая точка инверторов 22 и 23 через токоограничивающий резистор 26 подключена к подвижному контакту потенциометра 27, исполняющему роль регулятора длительности выходных импульсов генератора 21. Правый вывод потенциометра 27 через потенциометр в реостатном включении 28 и прямовключенный диод 29 соединен с общей точкой конденсатора 24 и резистора 25, куда дополнительно подключен через обратновключенный диод 30 левый вывод потенциометра 27. Второй вход логического элемента 20 соединен с выходом низкочастотного генератора импульсов 31 с постоянной частотой и регулируемой скважностью выходных импульсов. Этот генератор состоит из последовательно соединенных инверторов 32 и 33, где выход инвертора 33, являющийся выходом генератора 31, через времязадающий конденсатор 34 и развязывающий резистор 35 соединен с входом инвертора 32, а общая точка инверторов 32 и 33 через токоограничивающий резистор 36 соединена с подвижным контактом потенциометра 37, исполняющего роль регулятора скважности выходных импульсов генератора 31. Крайние выводы потенциометра 37 через обратновключенный диод 38 и, соответственно, через прямовключенный диод 39 соединены с общей точкой конденсатора 34 и резистора 35. Положительное напряжение питания во все необходимые точки схемы подается относительно общей шины через шину 40.

Формирователь высоковольтного коронирующего напряжения 8 полностью позаимствован из прототипа, где он подробно описан. В свою очередь, в нем применены почти классические узлы. Так, комплементарные эмиттерные повторители на транзисторах Дарлингтона, используемые в переключателях напряжения 13 и 17, описаны в книге: Клод Галле. Полезные советы по разработке и отладке электронных схем. М.: «ДМК», 2003 г., стр.106-107, рис.2.67. Здесь же на стр.63 и рис.2.27 помещена информация о транзисторах Дарлингтона. Генераторы импульсов 21 и 31 созданы на базе классических мультивибраторов (смотри: Р.Мелен, Г.Гарланд. Интегральные микросхемы с КМОП-структурами. М.: «Энергия», 1979 г., стр.105-107, рис.6-1.), в которых с помощью диодов соответственно 29, 30 и 38, 39 разделены цепи заряда и разряда конденсаторов соответственно 24 и 34. Подобные схемы описаны в SU 1132340 А, 30.12.1984 (В.П.Реута).

Во время предварительной настройки биполярного генератора ионов потенциометром 27 устанавливают минимальную длительность импульсов на выходе генератора импульсов 21; потенциометром 28 устанавливают такую частоту следования вышеназванных импульсов, при которой переходные процессы в первичной обмотке 11 трансформатора 10 будут заканчиваться за время, меньшее половине периода следования этих импульсов; потенциометром 37 устанавливают скважность импульсов на выходе генератора импульсов 31, равную двум.

Работает биполярный генератор ионов следующим образом.

После включения напряжения питания сразу же начинают генерировать непрерывные последовательности импульсов высокочастотный генератор импульсов 21 и низкочастотный генератор импульсов 31, причем частота следования выходных импульсов последнего, как правило, на несколько порядков ниже частоты следования выходных импульсов генератора 21. Если внутри генератора 21 на выходе инвертора 23 «единичное» состояние, то происходит заряд конденсатора 24, через который течет ток заряда с выхода инвертора 23 через диод 30, левую часть потенциометра 27, резистор 26 и через «нулевой» выход инвертора 22 на общую шину. За счет этого тока в общей точке конденсатора 24 и резистора 25 установится в начальный момент «единичное» напряжение, которое через резистор 25 поступит на вход инвертора 22 и будет поддерживать на его выходе «нулевое» состояние. По мере заряда конденсатора 24 зарядный ток и, соответственно, напряжение на входе инвертора 22 будут падать. Как только напряжение на входе инвертора 22 снизится до уровня срабатывания этого инвертора, он опрокинется в «единичное» состояние на своем выходе и переведет инвертор 23 в «нулевое» состояние на его выходе. Так сформируется импульс на выходе инвертора 23 и, соответственно, на выходе генератора 21. Длительность этого импульса определяется постоянной времени заряда конденсатора 24, т.е. сопротивлением в цепи заряда этого конденсатора. Меняя это сопротивление с помощью потенциометра 27, можно менять длительность выходных импульсов генератора импульсов 21. После перехода инвертора 22 в «единичное» состояние на его выходе, а инвертора 23 - в «нулевое» начнется процесс перезаряда конденсатора 24. Ток перезаряда конденсатора 24 потечет с выхода инвертора 22 через резистор 26, правую часть потенциометра 27, потенциометр 28, диод 29 и через выход инвертора 23 на общую шину. В процессе перезаряда конденсатора 24 потенциал в общей точке конденсатора 24 и резистора 25 будет расти от начального отрицательного значения в положительную сторону до тех пор, пока не достигнет уровня срабатывания инвертора 22. При достижении этого уровня инвертор 22 опрокинется в «нулевое» состояние на своем выходе и переведет в «единичное» состояние выход инвертора 23, после чего повторится процесс формирования импульса согласно вышеизложенному. Изменением сопротивления потенциометра 28 можно изменять частоту следования импульсов на выходе инвертора 23 при постоянной длительности этих импульсов, а изменением положения движка потенциометра 27 можно изменять длительность выходных импульсов инвертора 23 при постоянной частоте их следования.

Электрическая схема генератора импульсов 31 аналогична схеме генератора импульсов 21, когда у него движок потенциометра 28 установлен в крайнее левое положение, поэтому генератор импульсов 31 работает аналогично генератору 21, а потенциометр 37 служит для установки скважности выходных импульсов генератора 31, равной двум при неизменной частоте следования этих импульсов.

Выходные сигналы с генераторов 21 и 31 поступают на входы логического элемента 20 «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», выходной сигнал которого принимает «нулевое» значение тогда, когда на его входах оба сигнала имеют либо «нулевое», либо «единичное» значение. Если же входные сигналы имеют разное значение, то выходной сигнал элемента 20 будет «единичным».

Допустим, в начальный момент выходные сигналы генераторов импульсов 21 и 31 имеют «нулевое» значение. При этом выходной сигнал элемента 20 также будет «нулевым». Этот сигнал переведет в «нулевое» состояние переключатель 17, в котором закроет транзистор 18 и откроет транзистор 19, а переключатель 13 переведет за счет наличия на его входе инвертора 16 в «единичное» состояние, при котором откроется транзистор 14 и закроется транзистор 15. При таком состоянии переключателей 13 и 17 с шины питания 40 через открытый транзистор 14, вольтодобавочный конденсатор 12, первичную обмотку 11 трансформатора 10 и открытый транзистор 19 на общую шину потечет ток заряда вольтодобавочного конденсатора 12, который зарядится до величины выходного напряжения переключателя 13. При появлении на выходе генератора импульсов 21 «единичного» сигнала логический элемент 20 перейдет также в «единичное» состояние, в результате чего в переключателе 13 закроется транзистор 14 и откроется транзистор 15, а в переключателе 17 откроется транзистор 18 и закроется транзистор 19. При таком состоянии переключателей 13 и 17 к верхнему по схеме концу первичной 11 обмотки трансформатора 10 окажется приложенным относительно общей шины отрицательное напряжение заряженного конденсатора 12, а к нижнему концу этой обмотки - положительное напряжение с шины питания 40. Т.е. к первичной обмотке 11 высоковольтного трансформатора 10 окажется приложенным почти двойное напряжение питания шины 40, которое вызовет протекание тока через обмотку 11 трансформатора 10. В результате этого на первичной обмотке 10 сформируется импульс напряжения, равный по длительности выходному импульсу генератора 21, а на вторичной 9 обмотке трансформатора 10 появится высоковольтный импульс, который через выходные шины 6 и 7 формирователя высоковольтного напряжения 8 поступит одновременно на обе группы коронирующих и ускоряющих электродов соответственно 2, 3 и 4, 5. Допустим, на выходной шине 6 напряжение будет положительным относительно выходной шины 7. Тогда к коронирующим электродам 2 по отношению к ускоряющим электродам 3 будет приложено высоковольтное положительное напряжение, которое создаст между этими электродами положительную корону, а к коронирующим электродам 4 по отношению к ускоряющим электродам 5 будет приложено отрицательное высоковольтное напряжение, которое создаст между этими электродами отрицательную корону. В результате такого коронирования неионизированный воздух, продуваемый через корпус 1 в направлении стрелок «А», условно разделяется на два разнополярно ионизированных потока - в направлении стрелок «В» формируется поток положительно ионизированного воздуха, а в направлении стрелок «С» формируется поток отрицательно ионизированного воздуха. Эти два потока за счет турбулентности потока воздуха на некотором небольшом расстоянии от ускоряющих электродов 3 и 5 перемешиваются в один биполярно ионизированный поток, с помощью которого ионы распространяются в окружающем пространстве и «живут» до тех пор, пока не рекомбинируют с противоположно заряженными ионами.

Поскольку в процессе формирования рабочего импульса на первичной 11 обмотке трансформатора 10 происходит разряд вольтодобавочного конденсатора 12, то величину его емкости выбирают такой, при которой за время действия рабочего импульса амплитуда сформированного на выходной обмотке 9 трансформатора 10 высоковольтного импульса не упадет ниже порога коронирования коронирующих электродов 2 и 4.

По окончании импульса на выходе генератора 21 вновь откроются транзисторы 14 и 19, а закроются транзисторы 15 и 18. Начнется процесс дозаряда вольтодобавочного конденсатора 12 до уровня выходного напряжения переключателя 13. При этом к первичной 11 обмотке трансформатора 10 будет приложено обратное напряжение, равное разности между выходным напряжением переключателя 13 и остаточным напряжением на конденсаторе 12, уменьшающееся по экспоненте в процессе дозаряда конденсатора 12. На вторичной 9 обмотке трансформатора 10 также сформируется импульс обратной полярности, но его амплитуда будет значительно ниже порога коронирования коронирующих электродов 2 и 4. Процесс ионизации воздуха прекратится до прихода очередного импульса с выхода генератора импульсов 21.

Описанный процесс формирования высоковольтного коронирующего напряжения, поступающего на коронирующие электроды 2 и 4, будет продолжаться под действием выходных импульсов генератора 21 до тех пор, пока выходной сигнал генератора импульсов 31 не примет «единичное» значение. После этого цепи протекания тока заряда или дозаряда конденсатора 12 и рабочего тока при формировании высоковольтного импульса поменяются местами, в результате чего сменится полярность выходных высоковольтных импульсов, поступающих со вторичной обмотки 9 трансформатора 10 через выходные шины 6 и 7 формирователя 8 на коронирующие электроды 2 и 4. Это приведет к тому, что теперь между коронирующими электродами 2 и ускоряющими электродами 3 во время действия высоковольтных импульсов будет возникать отрицательная корона, которая будет ионизировать поток воздуха, идущий в направлении стрелок «В», отрицательными ионами. Аналогично сказанному поток воздуха, идущий в направлении стрелок «С», будет ионизироваться положительными ионами. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока выходной сигнал генератора импульсов 31 не примет «нулевое» значение, после чего вновь сменятся знаки ионов, выходящих с потоками воздуха «В» и «С».

Равномерная смена полярности напряжения, подаваемого на коронирующие электроды 2 и 4, необходима для создания одинаковых во времени физических условий при коронировании этих электродов, т.к. при положительной и при отрицательной коронах коронирующие электроды изнашиваются по-разному. Это связано с тем, что при отрицательной короне коронирующий электрод излучает электроны, а также некоторое количество материала самих электродов, а при положительной короне коронирующий электрод отрывает от молекул воздуха и поглощает электроны. Смена полярности коронирующего напряжения, подаваемого на электроды 2 и 4, повышает надежность и долговечность работы этих электродов.

Описанный биполярный генератор ионов позволяет одновременно обогащать ионизируемый воздух ионами обоих знаков, задавая их примерно одинаковое количество в единице объема воздуха изменением длительности коронирующих импульсов с помощью потенциометра 27 и частично с помощью потенциометра 28, изменяющего частоту следования этих импульсов. Одновременная генерация ионов обоих знаков увеличивает вероятность последующей их рекомбинации и уменьшает вероятность образования средних и тяжелых ионов.

Генератор предназначен для обработки воздуха в жилых, лечебных, офисных и других обитаемых помещениях, не загазованных вредными примесями, и может быть использован для обогащения воздуха ионами обоих знаков, снятия электростатических зарядов с различных предметов и одежды людей, очистки воздуха от пыли, бактерий и спор грибков. Генератор ионов содержит расположенную в продуваемом корпусе группу коронирующих и ускоряющих электродов, подключенных к выходным разнополярным шинам формирователя высоковольтного коронирующего напряжения, снабжен второй группой коронирующих и ускоряющих электродов, аналогичной первой группе таких электродов и расположенной рядом с ней, при этом коронирующие электроды первой группы электрически соединены с ускоряющими электродами второй группы, а ускоряющие электроды первой группы электрически соединены с коронирующими электродами второй группы. Техническим результатом является повышение равномерности распределения ионов обоих знаков в ионизируемом воздухе и улучшение за счет этого качества ионного состава воздуха. 1 ил.

Биполярный генератор ионов, содержащий расположенную в продуваемом корпусе группу коронирующих и ускоряющих электродов, подключенных к выходным разнополярным шинам формирователя высоковольтного коронирующего напряжения, отличающийся тем, что он снабжен второй группой коронирующих и ускоряющих электродов, аналогичной первой группе таких электродов и расположенной рядом с ней, при этом коронирующие электроды первой группы электрически соединены с ускоряющими электродами второй группы, а ускоряющие электроды первой группы электрически соединены с коронирующими электродами второй группы.