Устройство для аэроионификации и очистки воздуха Российский патент 2021 года по МПК B03C3/38 

Заявляемое техническое решение относится области экологической безопасности, в частности к системам очистки и вентиляции воздуха и может быть использовано в жилых помещениях, медицинских лечебных и оздоровительных учреждениях, на промышленных предприятиях, а также в сельском хозяйстве.

Одной из основных проблем современности является загрязненность атмосферы отходами промышленного производства, представляющими опасность для нормальной жизнедеятельности человека и окружающей его биосферы. Практически во всех крупных городах и промышленных центрах степень загрязнения воздуха на улицах, а значит и в помещениях, как правило, превышает по отдельным показателям предельно допустимые нормы.

В закрытых помещениях здоровье человека подвергается еще большей опасности, так как воздух дополнительно загрязняется еще и веществами, образующимися в результате жизнедеятельности человека, концентрация которых в помещении может превышать степень загрязнения отходами промышленного производства.

Кроме загрязнения, серьезной проблемой, связанной с качеством воздушной среды в помещениях, является нарушение аэроионного состава воздуха. Ионизация атмосферы по наблюдению отечественных и зарубежных ученых и по результатам многочисленных исследований, играет немаловажную роль в жизнедеятельности и состоянии живого организма (см. Лифшиц М.Н. «Аэроионизация. Практическое применение». М.: Стройиздат, 1990 г.). Как показали исследования академика А.Л. Чижевского, жизнедеятельность биологических организмов невозможна в отсутствии отрицательных аэроионов кислорода в воздухе (см. Чижевский А.Л. «Руководство по применению ионизированного воздуха в промышленности, сельском хозяйстве и в медицине». Методические указания при пользовании аэроионификационными установками "Союзсантехники". М.: Госпланиздат, 1959 г.).

Попутно поясним: аэроионизация - это насыщение воздушной среды различными ионами, отрицательный аэроион кислорода - это молекула кислорода с присоединившимся электроном, аэроионификация - насыщение воздушной среды отрицательными аэроионами кислорода.

В атмосфере, на открытом воздухе за счет воздействия различных природных факторов идет постоянная генерация кислородных отрицательных аэроионов, что создает примерно постоянную их концентрацию на улице, не случайно ослабленным людям советуют гулять на «свежем воздухе».

В присутствии людей в помещениях происходит резкое снижение естественной (природной) концентрации отрицательных аэроионов кислорода и увеличение концентрации выдыхаемых человеком тяжелых положительных аэроионов, а поскольку большую часть жизни городской житель проводит именно в помещениях, то систематически испытывает своеобразное «аэроионное голодание», что отрицательно влияет на общее состояние организма и значительно увеличивает предрасположенность к различным заболеваниям, приводит к преждевременному старению организма и, как следствие, укорачивает жизнь человека.

Как видим, для того чтобы вернуть воздуху его первозданные природные качества - оживить его, необходимо кроме очистки воздушной среды от всех видов вредных примесей, восстанавливать аэроионный состав, при этом очень важно равномерно распределять концентрацию аэроионов в объеме помещения, приближая воздушную среду помещения к природной.

Широко применяемые в настоящее время в воздухоочистителях и кондиционерах механические фильтры, не оживляют воздушную среду - не насыщают воздух отрицательными аэроионами кислорода, а еще более ухудшают аэроионный состав воздуха в помещении, так как на фильтрах наряду с частицами пыли осаждаются легкие аэроионы и на выходе получается очищенный, но «мертвый» воздух. В результате такого фильтрования воздуха можно принести больше вреда живому организму чем пользы, что и было продемонстрировано практическими опытами А.Л. Чижевского. Кроме того, механические фильтры не позволяют задерживать частицы размером менее 0,5 мкм и соответственно не обеспечивают очистки воздуха от мелкодисперсной пыли, дымовых частиц, аэрозолей и микрофлоры. В последнее время в воздухоочистительные устройства встраивают аэроионизаторы, а к механическим фильтрам добавляют электростатические, которые частично задерживают мелкодисперсные взвешенные частицы, но имеют низкую эффективность. Такие воздухоочистители имеют большие габариты, вес, высокую потребляемую мощность и обусловленный наличием механических вентиляторов высокий уровень акустического шума.

В качестве альтернативы использования механических фильтрующих систем, в настоящее время, находят применение устройства, основанные на использовании эффекта «электрического ветра», позволяющего создать поток ионизированного очищенного воздуха без использования механических вентиляторов, за счет движения в электрическом поле ионов, увлекающих с собой молекулы воздуха. Классическим примером аэроионификатора, является «Люстра Чижевского», которая при расположении в центре потолка помещения, хотя и не обеспечивает равномерного распределения аэроионов, но за счет установки ее установки на потолке, обладает высокой расходимостью аэроионного потока, что позволяет аэроионифицировать объем воздуха в жилой комнате, однако открытая конструкция и большие габаритные размеры затрудняют практическое использование этого прибора в стандартных жилых помещениях, особенно в малогабаритных квартирах.

Известен аэроионизатор, содержащий корпус, крышку с отверстиями, отклоняющий и ионизационный зубчатый электроды, при этом поверхность крышки покрыта металлическим слоем, выполняющим роль отклоняющего электрода, отверстия в крышке и металлическом слое выполнены круглыми, а их оси совмещены с вершинами зубьев ионизационного электрода (см. А.С. СССР №993949, МКИ: A61L 9/00, 1983 г.).

Недостатком известного аэроионизатора является низкая эффективность аэроионификации и неравномерное распределение аэроионов в объеме помещения, т.к. аэроионы истекают из устройства только в результате имеющегося внутри него электрического поля, а вне устройства их движение обусловлено только диффузией. При этом чистка воздуха устройством не производится, т.к. нет потока транспортируемого воздуха.

Известен динамический аэроионизатор, обеспечивающий вентиляцию воздуха без дополнительного вентилятора, содержащий источник высокого напряжения, статор, включающий в себя диэлектрическую втулку, и концентричный ему ротор, выполненный в виде диэлектрической втулки с закрепленными на ней заостренными токопроводящими лопастями, причем статор и ротор размещены в диэлектрическом корпусе, при этом, источник высокого напряжения выполнен униполярным, причем один из его полюсов соединен с общей шиной аэроионизатора, статор снабжен четным числом токопроводящих пластин с острыми кромками, закрепленными на его диэлектрической втулке, обращенными от центра и подключенными через одну разным полюсам источника высокого напряжения, при этом статор расположен внутри ротора, токопроводящие пластины ротора обращены к центру, а диэлектрический корпус имеет спиралевидную форму с щелевым выходным отверстием, расположенным в продольной плоскости (см. А.С. СССР №1748834, МКИ: A61N 1/44, 1985 г.).

Недостатками известного динамического аэроионизатора являются, во-первых, низкая надежность устройства, обусловленная наличием подвижных механических частей.

Во-вторых, известный динамический аэроионизатор имеет низкий коэффициент полезного действия (КПД), связанный с тем, что часть энергии воздушного потока затрачивается на преодоление сил трения в подвижных элементах.

В-третьих, известный динамический аэроионизатор также не производит очистку воздуха.

Известен аэроионизатор, совмещающий в одном устройстве функции аэроионификации и очистки воздуха от взвешенных частиц с использованием для этих целей эффекта «электрического ветра» и позволяющий создать поток воздуха без использования подвижных механических элементов, содержащий высоковольтный источник постоянного напряжения, к отрицательному полюсу которого подключен коронирующий электрод, выполненный в виде круглой проводящей решетки, снабженной одноострийными иглами, равномерно расположенными по плоскости решетки и направленными остриями вниз, при этом к положительному полюсу подключен разгоняющий электрод, имеющий форму, повторяющую периметр коронирующего электрода, покрытый высоковольтной диэлектрической оболочкой, снабженный кронштейнами, также покрытыми диэлектрической оболочкой и соединенный с электропроводящей кюветой, наполненной водой (см. патент РФ на изобретение №2012380, МКИ: A61N 1/44, 1994 г.).

Положительный электрод известного устройства представляет собой единую конструкцию, выполняющую одновременно функции коллектора и ускоряющего электрода, а электроны, эмитируемые коронирующим электродом, создают отрицательные ионы кислорода и заряжают частицы пыли, которые ускоряются электрическим полем, созданным между электродами. При этом за счет неоднородности поля легкие аэроионы движутся по искривленным траекториям и должны покидать аэроионизатор, а тяжелые частицы пыли попадают в кювету с водой.

Недостатками известного устройства являются, во-первых, низкий КПД преобразования энергии электрического поля в энергию выходного воздушного потока, связанное с тем, что после включения устройства, диэлектрическое покрытие разгоняющего электрода очень быстро заряжается до высокого отрицательного напряжения и этот заряд компенсирует ускоряющее поле. Вследствие этого, напряженность электрического поля в зазоре между коронирующим и ускоряющим электродами значительно снижается, что приводит к снижению общего тока аэроионов, а компенсация поперечной составляющей электрического поля приводит к тому, что практически весь ток будет замыкаться на кювету и истечение ионизированного воздуха наружу будет происходить лишь за счет незначительного избыточного давления, создаваемого над поверхностью кюветы «электрическим ветром». В результате скорость выходного потока будет очень мала, что и обусловливает низкий КПД устройства.

Во-вторых, при уменьшении тока аэроионов очистка и ионизация воздуха в известном устройстве будут производиться только в непосредственной близости от аэроионизатора.

В-третьих, отсутствие изолирующего корпуса в известном устройстве, не отвечает требованиям безопасности, т.к. подвергает человека опасности попасть под высокое напряжение коронирующего электрода и разряды статического электричества при случайном прикосновении к диэлектрическому покрытию разгоняющего электрода, что делает неприемлемым использование устройства как в бытовых условиях, так и на промышленных предприятиях.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является, взятое в качестве прототипа устройство для аэроионификации и очистки воздуха (см. патент РФ на изобретение №2156169, МКИ: В03С 3/38, 2000 г.), содержащее высоковольтный источник напряжения, к отрицательному полюсу которого подключен коронирующий отрицательный электрод - эмиттер, выполненный в виде плоского токопроводящего кольца с одноострийными иглами, которые расположены в плоскости кольца, размещены на нем равномерно по азимуту и направлены остриями по радиусу к центру кольца эмиттера, в котором расположен положительный электрод - коллектор, выполненного в виде конусообразного тела, на вершине которого размещена составляющая с ним единое целое решетка, установленная перпендикулярно его оси и выполненная в форме круга с радиусом, меньшим радиуса кольца эмиттера, при этом эмиттер и положительный проводящий электрод помещены в изолирующий корпус.

Известное устройство, благодаря конфигурации эмиттера и коллектора позволяет направить весь входной поток воздуха непосредственно к осаждающей поверхности положительного электрода. Воздух достаточно длительное время движется вдоль поверхности коллектора, чем достигается высокая степень очистки воздуха, при этом, поток аэроионов, движущихся от отрицательного электрода непосредственно к решетке положительного электрода, создает дополнительное ускорение и насыщение аэроионами очищенного сфокусированного потока воздуха.

Однако, известное устройство имеет один существенный недостаток - оно пригодно для очистки воздуха и его насыщения аэроионами в сравнительно небольших помещениях - жилых комнатах в стандартных квартирах или аналогичных им по габаритам производственных помещениях. Для организации очистки воздуха и его насыщения аэроионами в больших по объему производственных помещениях, необходимо устанавливать несколько известных устройств, при этом располагая их не только в одной плоскости по горизонтали, но и по высоте (при значительных габаритах промышленных помещений).

Техническим результатом заявляемого устройства для аэроионификации и очистки воздуха является создание однотипного универсального устройства, лишенного недостатков известного технического решения и пригодного для использования как в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, а также в коллективных центрах обслуживания клиентов, в том числе поликлиниках, магазинах, комбинатах бытового облуживания и т.п.

Указанный технический результат в устройстве для аэроионификации и очистки воздуха, содержащем высоковольтный источник напряжения, к отрицательному полюсу которого подключен отрицательный коронирующий электрод - эмиттер, выполненный в виде плоского токопроводящего кольца с иглами, которые расположены в плоскости кольца, размещены на нем равномерно и направлены остриями радиально к центру кольца, в котором расположен положительный электрод - коллектор, на вершине которого размещена составляющая с ним единое целое решетка, установленная перпендикулярно его оси и выполненная в форме круга с радиусом, меньшим радиуса кольца эмиттера, достигается тем, что устройство состоит из N идентичных зон для аэроионификации и очистки воздуха, расположенных в общем корпусе, каждая из которых включает эмиттер, в центре которого расположен коллектор, при этом все зоны расположены вертикально друг за другом, образуя единый коллектор, соединенный с решеткой.

Выполнение устройства, состоящим из N идентичных зон для аэроионификации и очистки воздуха, расположенных последовательно друг за другом позволяет:

- многократно усилить поток воздуха, проходящий через устройство без использования каких-либо подвижных механических элементов;

- повысить КПД устройства за счет высокой скорости выходного потока;

- разместить в большом по площади производственном помещении всего одно более производительное устройство, способное эффективно очищать от загрязнений весь воздух помещения и насыщать его аэроионами, вместо нескольких однозонных малопроизводительных устройств;

- отказаться от дополнительных систем очистки воздуха в производственных помещениях, в том числе и от тех, которые производят очистку воздушной среды от всех видов вредных примесей, включая газовые фильтры и фильтры тонкой и сверхтонкой очистки от пылевидных частиц, аэрозолей и микрофлоры.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет создать компактное в плане устройство с заданной степенью очистки воздуха, зависящей от количества зон аэроионификации, которое позволяет существенно увеличить поток очищаемого воздуха при одновременном активном насыщении его аэроионами, что расширяет возможности его применения в качестве альтернативного решения при модернизации систем очистки воздуха от всех видов вредных газовых примесей и пылевидных частиц, что не имеет аналогов среди известных устройств аналогичного назначения, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сущность заявляемого технического решения поясняется представленными на фиг. 1-3 рисунками.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство для аэроионификации и очистки воздуха, содержащее: диэлектрический корпус 1, внутри которого установлен сборный металлический коллектор 2, соединенный с положительным полюсом источника питания и состоящий из сборки нескольких однотипных усеченных конусов, установленных друг на друга таким образом, чтобы широкие основания конусов, соединялись с широкими, а узкие основания - с узкими; коронирующий отрицательный электрод-эмиттер, выполненный в виде металлического кольца 3 с иглами 4, направленными в сторону коллектора 2 и закрепленного на диэлектрических опорах 5; входное кольцевое окно 6 для забора очищаемого воздуха; выходную решетку 7 для выхода очищенного воздуха с проходными отверстиями 8, закрепленную на коллекторе 2; проходных отверстий 9 в корпусе 1.

На фиг. 2 представлено заявляемое устройство для аэроионификации и очистки воздуха, содержащее: диэлектрический корпус 11, внутри которого установлен сборный металлический коллектор 12, соединенный с положительным полюсом источника питания и состоящий из сборки нескольких однотипных деталей в форме половинок однополостного гиперболоида, рассеченного горизонтальной плоскостью в его узкой части, установленных друг на друга таким образом, чтобы их широкие основания, соединялись с широкими, а узкие основания - с узкими; коронирующий отрицательный электрод-эмиттер, выполненный в виде металлического кольца 13 с иглами 14, направленными в сторону коллектора 12 и закрепленного на диэлектрических опорах 15; входное кольцевое окно 16 для забора очищаемого воздуха; выходную решетку 17 для выхода очищенного воздуха с проходными отверстиями 18, закрепленную на коллекторе 12; проходных отверстий 19 в корпусе 11.

На фиг. 3 представлено заявляемое устройство для аэроионификации и очистки воздуха, содержащее: диэлектрический корпус 21, внутри которого установлен сборный металлический коллектор 22, соединенный с положительным полюсом источника питания и состоящий из сборки нескольких однотипных деталей в форме фрагментов тела вращения с огибающей в форме косинусоиды с шагом фрагментации от максимального диаметра до минимального, установленных друг на друга таким образом, чтобы их широкие основания, соединялись с широкими, а узкие основания - с узкими; коронирующий отрицательный электрод-эмиттер, выполненный в виде металлического кольца 23 с иглами 24, направленными в сторону коллектора 22 и закрепленного на диэлектрических опорах 25; входное кольцевое окно 26 для забора очищаемого воздуха; выходную решетку 27 для выхода очищенного воздуха с проходными отверстиями 28, закрепленную на коллекторе 22; проходных отверстий 29 в корпусе 21.

Заявляемое устройство (см. фиг. 1) работает следующим образом. Рассмотрим работу устройства в первой зоне аэроионификации (все остальные зоны работают аналогичным образом и имеют одинаковые номера позиций). С игл 4, коронирующего отрицательного электрода-эмиттера 3, подключенного к отрицательному полюсу источника высокого напряжения 10, осуществляется эмиссия электронов, которые при соударениях с молекулами воздуха прилипают к ним и образуют отрицательные молекулярные аэроионы кислорода, движущиеся в электрическом поле к положительному электроду - коллектору 2, подключенному к положительному полюсу источника высокого напряжения 10. При этом, за счет соударений отрицательных аэроионов с нейтральными молекулами воздуха, последние получают ускорение, в результате создается движущийся поток воздуха, направленный к коллектору 2 - «электрический ветер». Причем, в ходе указанного процесса, часть аэроионов прилипает к взвешенным в воздухе частицам загрязнений, которые, приобретают таким образом отрицательный заряд и разгоняются, двигаясь как к коллектору 2 под действием электрического поля, а другая часть воздуха с аэроионами, огибает свою часть коллектора 2 и под действием потока воздуха, поступающего через кольцевое окно 6, проходит во вторую зону аэроионификации. В результате наиболее заряженные частицы пыли осаживаются на коллекторе 2 в первой зоне, а наименее заряженные - с потоком воздуха переносятся во вторую зону аэроионификации, в которой молекулы воздуха получают дополнительное ускорение и отрицательный заряд и проходит в следующую зону, а часть молекул с частицами загрязнений оседают на коллекторе 2 второй зоны, т.е. происходит процесс дополнительной очистки воздуха. Аналогичным образом проходят процессы очистки и ускорения потока воздуха с аэроионами во всех зонах аэроионификации, вплоть до последней, а затем, поток воздуха, очищенный от загрязнений и насыщенный аэроионами достигает выходной решетки 7, которая предназначена для выхода очищенного воздуха через проходные отверстия 8 и закреплена на выходе коллекторе 2, сразу за последней зоной ионификации. После этого, пройдя через проходные отверстия 9 в диэлектрическом корпусе 1, насыщенный аэроионами и очищенный воздух поступает в рабочее помещение.

Таким образом, загрязненный воздух засасывается через входные отверстия 6 в нижней части корпуса, затем в устройстве производится его очистка, ускорение, насыщение аэроионами и фокусировка относительно выходных отверстий 8 в решетке 7. Далее высокоскоростной малорасходящийся выходной поток чистого воздуха достигает потолка помещения, в котором установлено заявляемое устройство и затем растекается по потолку к стенам помещения и далее вдоль стен к полу. Этим определяется эффективная вентиляция в помещении и, соответственно, равномерное насыщение его аэроионами, при этом в процессе циркуляции воздуха в помещении, происходит его очистка от загрязнений во всем объеме помещения.

Аналогичным образом работают и другие варианты реализации заявляемого устройства, представленные на фиг. 2 и 3. Отличие от варианта, представленного на фиг. 1, заключается в том, плавные изгибы деталей составного коллектора 2 позволяют увеличить ламинарность проходящего через устройство потока воздуха, а, следовательно, на 10-15% повысить его скорость на выходе устройства.

Изобретение относится области экологической безопасности, в частности к системам очистки и вентиляции воздуха, и может быть использовано в жилых помещениях, медицинских учреждениях, на предприятиях, в сельском хозяйстве. Устройство содержит диэлектрический цилиндрический корпус, в нижней части которого выполнено входное кольцевое окно для забора очищаемого воздуха, а внутри корпуса размещен коронирующий электрод - эмиттер в виде плоского токопроводящего кольца с иглами, которые расположены в плоскости кольца, размещены на нем равномерно и направлены остриями радиально к центру кольца, в котором расположен положительный электрод - коллектор, на вершине которого размещена составляющая с ним единое целое выходная решетка для выхода очищенного воздуха в форме круга с радиусом, меньшим радиуса кольца эмиттера. Коллектор выполнен в виде нечетного количества последовательно расположенных фрагментов тел вращения, первый из которых своим большим основанием обращен к основанию корпуса, второй фрагмент установлен на узкое основание первого фрагмента, образуя фрагмент коллектора первой зоны, при этом в плоскости их соединения между собой расположен эмиттер первой зоны, а последний фрагмент своим узким основанием соединен с основанием решетки, при этом в плоскости их соединения между собой распложен эмиттер последней зоны. Повышается КПД устройства за счет высокой скорости выходного потока. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для аэроионификации и очистки воздуха, содержащее диэлектрический цилиндрический корпус, в нижней части которого выполнено входное кольцевое окно для забора очищаемого воздуха, а внутри корпуса размещен коронирующий электрод - эмиттер, выполненный в виде плоского токопроводящего кольца с иглами, которые расположены в плоскости кольца, размещены на нем равномерно и направлены остриями радиально к центру кольца, в котором расположен положительный электрод - коллектор, на вершине которого размещена составляющая с ним единое целое выходная решетка для выхода очищенного воздуха, установленная перпендикулярно его оси и выполненная в форме круга с радиусом, меньшим радиуса кольца эмиттера, отличающееся тем, что коллектор выполнен в виде нечетного количества последовательно расположенных фрагментов тел вращения, первый из которых своим большим основанием обращен к основанию корпуса, второй фрагмент установлен на узкое основание первого фрагмента, образуя фрагмент коллектора первой зоны, при этом в плоскости их соединения между собой расположен эмиттер первой зоны, а последний фрагмент своим узким основанием соединен с основанием решетки, при этом в плоскости их соединения между собой распложен эмиттер последней зоны.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коллектор выполнен в виде набора нечетного количества последовательно расположенных усеченных конусов, первый из которых обращен большим основанием к основанию корпуса, второй конус установлен своим малым основанием на малое основание первого конуса, образуя фрагмент коллектора первой зоны, при этом в плоскости соединения узких оснований обоих конусов расположен эмиттер первой зоны, а последний усеченный конус соединен своим узким основанием с основанием решетки, при этом в плоскости их соединения между собой расположен эмиттер последней зоны.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коллектор выполнен в виде набора нечетного количества последовательно расположенных половинок однополостного гиперболоида, рассеченного горизонтальной плоскостью в его узкой части, причем первая половинка гиперболоида обращена большим основанием к основанию корпуса, вторая половинка гиперболоида установлена своим малым основанием на первую половинку, образуя фрагмент коллектора первой зоны, при этом в плоскости соединения узких оснований обеих половинок расположен эмиттер первой зоны, а последняя половинка гиперболоида соединена своим узким основанием с основанием решетки, при этом в плоскости их соединения между собой расположен эмиттер последней зоны.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коллектор выполнен в виде набора нечетного количества фрагментов тела вращения с огибающей в форме косинусоиды с шагом фрагментации от максимального диаметра до минимального, причем первый фрагмент обращен большим основанием к основанию корпуса, второй фрагмент установлен своим малым основанием на первый фрагмент, образуя, таким образом, фрагмент коллектора первой зоны, при этом в плоскости соединения узких оснований обоих фрагментов расположен эмиттер первой зоны, а последний фрагмент тела вращения соединен своим узким основанием с основанием решетки, при этом в плоскости их соединения между собой расположен эмиттер последней зоны.