EP0259220A1 - Générateur d'ions négatifs en milieu gazeux, de grande puissance, à configuration de champ électrique de haute intensité - Google Patents

Générateur d'ions négatifs en milieu gazeux, de grande puissance, à configuration de champ électrique de haute intensité Download PDF

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EP0259220A1 EP87401923A EP87401923A EP0259220A1 EP 0259220 A1 EP0259220 A1 EP 0259220A1 EP 87401923 A EP87401923 A EP 87401923A EP 87401923 A EP87401923 A EP 87401923A EP 0259220 A1 EP0259220 A1 EP 0259220A1
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T23/00—Apparatus for generating ions to be introduced into non-enclosed gases, e.g. into the atmosphere

Definitions

  • the present invention relates to electronic devices of the "negative aero-ion generator” type, making it possible to obtain, inside an enclosure or a room, an average atmospheric density of negative ions (molecules of Simply ionized oxygen) strictly determined, in the absence of any production of ozone or nitrogen oxides.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • a conductive tip generally metallic
  • these electrons transform them into negative oxygen ions with specific physico-chemical and physiological properties.
  • the device according to the invention allows these drawbacks to be completely avoided and these defects to be eliminated.
  • This device indeed compotes a set of long emitting tips (thus increasing the field at their end) included in a set of conductive and insulating diaphragms constituting the equivalent of an electronic optical system, ensuring the presence of a very intense electric field at the end of the tips, an almost complete diffusion of the emitted electrons, the use of moderate voltages (of the order of 3.5 kV much lower than the production threshold of Ozone), the implementation of a number of spikes as high as necessary, and the presence of insulating safety screens does not measurably reduce the initial electronic flow; in addition, a built-in fan ensures efficient filtering of the air admitted to the tips and excellent diffusion of the negative ions produced.
  • the device according to the invention therefore makes it possible to ensure the production, the emission and the diffusion of a flow of electrons (and therefore of negative oxygen ions in the atmosphere) as intense as will be recognized necessary, without have recourse to voltages higher than 4 kV, and thereby respecting the requirement of complete absence of toxic compounds (Ozone, nitrogen oxides) when the device is intended for a hygienic or therapeutic application.
  • the device which is the subject of the invention comprises: - a power source (THT) of the emitting points (Pte), consisting of an isolation transformer (Tr) connected to the AC sector, followed a voltage multiplier (Mult) with diodes and capacitors: a "return to ground” resistance (R1) defines the "zero” potential of the power supply; a protective resistor (R2) at the output of the multiplier limits the accidental short-circuit current between tips connected to (-THT) and ground to a non-dangerous value; - a conductive support plate (S1) on which are fixed (soldering, crimping, etc.) the emitting tips (Pte); - an insulating plate (P1) crossed by the emitting points (Pte), ensuring the fixing of said points and contributing to the configuration of the electric field in the vicinity of the points (Pte) carried as well as the plate (S1) to (-THT); - a conductive plate (P2),
  • FIG. 2 of plate 2/4 represents the electronic optical configuration intended to ensure the complete diffusion into the ambient atmosphere of the electrons emitted by the tips (Pte).
  • a series of points (Pte), of length at least equal to four times the diameter of the openings of the plate (P2), is fixed to the conductive support (S1), the assembly being brought to potential (-THT ) of on the order of -3.5 kV; the conductive plate (P2) brought to the "zero” potential (mass, soil, etc.) therefore brings the corresponding "zero" equipotential into its plane.
  • This plane is located far behind the end of the emitting points (Pte): experimental measurements confirm the theoretical need to place the plate (P2) midway between the conductive plate (S1) and the free end of the points transmitters (Pte); this arrangement then ensures the emission to the outside of almost all of the flow of electrons produced (rate greater than 95%).
  • the presence of the insulating screen (P3) and its chamfered profile openings complete - by acquiring a negative surface density - increasing the diffusion of the electrons having passed through said openings.
  • the set of elements (S1), (P1), (P2), (P3) and points (Pte) placed in the axis of the openings of said elements therefore constitutes an electronic optical assembly ensuring the production, acceleration, focusing and spatial distribution of the electrons extracted from the metal of said points under conditions close to the theoretical forecast.
  • FIGS. 5 and 6 represent an exemplary embodiment of a generator of cylindrical shape, with upper axial emission: - a transformer (Tr) with high primary / secondary insulation (greater than 100 M ⁇ ) allows the secondary to have a variable effective voltage between zero and 300 Volt for an average power consumption of 5 Watt; - a voltage multiplier (Mult) comprises 12 Sescosem 1N4007 diodes with controlled avalanche, peak reverse voltage 1200 Vlt, peak current 1 Ampere.
  • Tr transformer
  • M ⁇ voltage multiplier
  • the very high negative voltage (-THT) obtained can then vary between zero and -3500 V; - a “mass leakage” resistor (R1) calibrated at 20 M ⁇ with high insulation between outputs, connected between the primary and secondary of the transformer; - a secondary protection resistor (R3) placed on the input of the multiplier, of 22 k ⁇ in 1/2 Watt; - a resistance (R2) to protect the output (-THT), of 10 M ⁇ 1/2 Watt; - a circular brass base (SL) 6/10 mm thick, 160 mm in diameter, comprising 4 welded tips (Pte) 50 mm long, constituting the first element of electronic optics; - a circular plate (P1) in rigid PVC, 3 mm thick, 160 mm in diameter, ensuring the positioning of the tips and constituting the second element of electronic optics; - a circular brass plate 6/10 mm thick (P2), 160 mm in diameter
  • the plates (S1) and (P1 / P2) are 25 mm apart, the plates (P2) and (P3) are 25 mm apart.
  • the electronic flux emitted by a tip corresponds to a measured current of 3.0 microamps; this measurement is performed between a point and a large conductive plate placed 1.5 cm from said point, minimum distance required to avoid ignition which falsifies the measurement. This flow corresponds to the average emission of 2.1013 electrons per second and per tip (20,000 billion).

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Electrostatic Separation (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

a) Générateur d'ions négatifs en milieu gazeux de grande puissance, à configuration de champ électrique de haute intensité. b) Générateur comportant deux sous-ensembles autonomes : - une source de très haute tension continue négative (THT) apte à délivrer le courant nécessaire au second sous-ensemble ; - un bloc optique électronique comportant les pointes émissives d'électrons (Pte) et les différents éléments (S1, P1, P2, P3) indissociables créant la configuration de champ électrique nécessaire au résultat à atteindre.

Description

  • La présente invention concerne les appareils électroniques du type "générateurs d'aéro-ions négatifs", permettant d'obtenir, à l'intérieur d'une enceinte ou d'un local, une densité atmosphérique moyenne d'ions négatifs (molécules d'Oxygène simplement ionisées) strictement déterminée, en l'absence de toute production d'Ozone ou d'oxydes d'Azote.
  • Les dispositifs connus de ce genre reposent essentiellement sur "l'effet de pointe" : portée à un potentiel négatif compris entre 5 et 10 kV, une pointe conductrice (en général métallique) émet un flux d'élec­trons d'autant plus intense que le champ électrique est plus élevé au voisinage de la pointe. Immédiatement captés par les molécules d'oxygène de l'air, ces électrons trans­forment celles-ci en des ions oxygène négatifs dotés de propriétés physico-chimiques et physiologiques particulières.
  • Ces dispositifs présentent toutefois plusieurs défauts fondamentaux qui en limitent les per­formances et l'intérêt, en particulier dans le domaine thérapeutique :
    - la production de flux intenses exige simultanément des tensions élevées, appliquées à des pointes nombreuses : la configuration de champ électrique obtenue est alors peu favorable à l'émission électronique ;
    - la compensation du défaut de configu­ration s'obtient par accroissement de la tension appliquée aux pointes : cet accroissement est toutefois très vite limité par le seuil d'activation de la molécule d'Oxygène en molécule d'Ozone, survenant au voisinage de 5 kV ;
    - cet accroissement de tension exige la mise hors d'atteinte des pointes (sécurité des usagers) par des écrans isolants percés d'ouvertures ad hoc : la charge de surface immédiatement acquise par ces écrans crée un champ électrique antagoniste réduisant considérablement le flux émis et diffusé ;
    - la charge d'espace, présente au voisinage de la pointe, joue également le rôle antagoniste achevant de réduire le flux ionique réellement disponible, se traduisant par une densité atmosphérique insuffisante aux besoins en cause.
  • Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter totalement ces inconvénients et de supprimer ces défauts.
  • Ce dispositif compote en effet un ensemble de longues pointes émettrices (accroissant ainsi le champ à leur extrémité) incluses dans un ensemble de diaphragmes conducteurs et isolants constituant l'équivalent d'un système optique électronique, assurant la présente d'un champ électrique très intense à l'extrémité des pointes, une diffusion quasi-complète des électrons émis, l'usage de tensions modérées (de l'ordre de 3,5 kV très inférieures au seuil de production de l'Ozone), la mise en oeuvre d'un nombre de pointes aussi élevé que nécessaire, et la présen­ce d'écrans isolants de sécurité ne diminuant pas de façon mesurable le flux électronique initial ; de plus, un venti­lateur incorporé assure un filtrage efficace de l'air admis sur les pointes et une excellente diffusion des ions négatifs produits.
  • Le dispositif selon l'invention permet donc d'assurer la production, l'émission et la diffusion d'un flux d'électrons (et donc d'ions oxygène négatifs dans l'atmosphère) aussi intense qu'il sera reconnu nécessaire, sans avoir recours à des tensions supérieures à 4 kV, et par là-même en respectant l'exigence d'absence complète de composés toxiques (Ozone, oxydes d'Azote) lorsque le dispositif est destiné à une application hygiénique ou thérapeutique.
  • Il en résulte une amélioration décisive du "générateur à pointes" tant en ce qui concerne la puissance (flux émis) que la sécurité d'utilisation (faibles tensions, écrans isolants de protection), ces deux paramètres cessant dorénavant d'être contradictoires.
  • Les dessins annexés représentent respec­tivement :
    • - la figure 1 est un schéma (synoptique) du dispositif sous forme des fonctions élémentaires assurées par chacune de ses parties ;
    • - la figure 2 est un schéma de principe des éléments de la configuration optique électronique, avec la distribution des équipotentielles et du champ électrique ;
    • - les figures 3 à 6 correspondent à un schéma de réalisation possible dans deux configurations radiale et axiale de diffusion d'électrons ; un tel exemple, non limitatif, n'épuise nullement l'invention qui peut être réalisée en configuration sphérique, polygonale, etc... possédant l'ensemble des caractéris­tiques propres au nouveau dispositif décrit ;
  • Tel qu'il est représenté sur la figure 1 (synoptique) le dispositif objet de l'invention comporte :
    - une source d'alimentation (THT) des points émettrices (Pte), constituée d'un transformateur d'isolement (Tr) connecté au secteur alternatif, suivi d'un multiplicateur de tension (Mult) à diodes et condensateurs : une résistance de "retour à la masse" (R1) définit le potentiel "zéro" de l'alimentation ; une résistance de protection (R2) en sortie du multi­plicateur limite à une valeur non dangereuse le courant de court-circuit accidentel entre pointes connectées au (-THT) et masse ;
    - une plaque de support (S1) conductrice sur laquelle sont fixées (soudure, sertissage, etc...) les pointes émettrices (Pte) ;
    - une plaque isolante (P1) traversée par les pointes émettrices (Pte), assurant la fixation desdites pointes et contribuant à la configuration du champ électrique au voisinage des pointes (Pte) portées ainsi que la plaque (S1) à (-THT) ;
    - une plaque conductrice (P2), fixée à la plaque (P1) et couvrant totalement la surface de ladite plaque (P1), percée d'ouvertures circulaires, concentriques aux pointes (Pte), assurant la distribution optimale des équipotentielles, mais excluant tout risque d'amorçage entre lesdites pointes (Pte) et ladite plaque (P2) maintenue au potentiel "zéro" de la masse ;
    - une plaque isolante (P3), pouvant constituer le "boîtier" du dispositif objet du Brevet, percée d'ouvertures chanfreinées circulaires concentriques aux pointes émettrices (Pte), assurant la diffusion des électrons émis par lesdites pointes.
  • Le dessin de la figure 2 de la planche 2/4 représente la configuration optique électronique destinée à assurer la complète diffusion dans l'atmosphère ambiante des électrons émis par les pointes (Pte).
  • A cette fin, une série de pointes (Pte), de longueur au moins égale à quatre fois le diamètre des ouvertures de la plaque (P2), est fixée au support conduc­teur (S1), l'ensemble étant porté au potentiel (-THT) de l'ordre de -3,5 kV ; la plaque conductrice (P2) portée au potentiel "zéro" (masse, sol, etc...) ramène donc dans son plan l'équipotentielle "zéro" correspondante. Ce plan est situé très en arrière de l'extrémité des pointes émettrices (Pte) : les mesures expérimentales confirment la nécessité théorique de disposer la plaque (P2) à mi-distance entre la plaque conductrice (S1) et l'extrémité libre des pointes émettrices (Pte) ; cette disposition assure alors l'émission vers l'extérieur de la quasi-totalité du flux d'électrons produits (taux supérieur à 95 %).
  • Le "rabattement" de l'équipotentielle "zéro" au voisinage très proche de l'extrémité libre des pointes (Pte), portée à -3,5 kV, crée à l'extrémité desdites pointes un champ électrique local très intense assurant un rendement très élevé à l'émission vers l'extérieur des électrons extraits du métal.
  • De plus ce champ local très élevé réduit très fortement la charge d'espace au voisinage des pointes et améliore ainsi considérablement la diffusion vers l'es­pace libre.
  • Ce même "rabattement" de l'équipotentielle "zéro" autorise au surplus l'utilisation d'un nombre aussi élevé que nécessaire de pointes émettrices sans diminution appréciable du champ électrique au voisinage des pointes, et par là-même dans diminution du rendement global des pointes, qui demeure proportionnel au ren­dement d'une pointe unique et au nombre de pointes utilisées.
  • Enfin, la présence de l'écran isolant (P3) et de ses ouvertures à profil chanfreiné achèvent - par acquisition d'une densité superficielle négative - d'accroître la diffusion des électrons ayant franchi lesdites ouvertures.
  • L'ensemble des éléments (S1), (P1), (P2), (P3) et des pointes (Pte) placées dans l'axe des ouvertures desdits éléments, constitue donc un ensemble optique électronique assurant la production, l'accélération, la focalisation et la diffusion spatiale des électrons extraits du métal desdites pointes dans des conditions proches de la prévision théorique.
  • Un exemple d'application est donné par la mise en oeuvre du dispositif objet de l'invention dans les lieux sujets à pollution atmosphérique par les poussières ou les fumées (tabac ou autres) : l'injection dans de telles atmosphères d'une quantité suffisante d'ions négatifs (supérieure à 5000 ions/cm³ à 2 mètres des pointes) permet un "nettoyage" desdites atmosphères par précipitation électrostatique vers le sol, les parois ou tout capteur disposé à cette fin.
  • Un autre exemple d'application est donné par la mise en oeuvre du dispositif objet du Brevet dans le domaine biothérapique où sont mises à profit les propriétés connues de la molécule d'Oxygène ionisée négativement.
  • Ces exemples d'application n'épuisent nullement l'invention qui peut être utilisée en toutes circonstances exigeant la production d'un flux intense d'ions négatifs en milieu gazeux, en l'absence complète de production de composés toxiques que sont l'Ozone et les oxydes d'Azote.
  • Les dessins des figures 5 et 6 représentent un exemple de réalisation de générateur de forme cylindrique, à émission axiale supérieure :
    - un transformateur (Tr) à fort isolement primaire/secondaire (supérieur à 100 MΩ) permet de disposer au secondaire d'une tension efficace variable entre zéro et 300 Volt pour une puissance moyenne consommée de 5 Watt ;
    - un multiplicateur de tension (Mult) comporte 12 diodes Sescosem 1N4007 à avalanche contrôlée, de tension inverse de crête 1200 VOlt, de courant de crête 1 Ampère. et 12 condensateurs Wima, de type FKP1, 10 nF, tensions de service 1600 Vcc, 500 Vca; la très haute tension négative (-THT) obtenue peut alors varier entre zéro et -3500 V ;
    - une résistance de "fuite de masse" (R1) calibrée de 20 MΩ à haut isolement entre sorties, connectée entre le primaire et le secondaire du transformateur ;
    - une résistance (R3) de protection du secondaire placée sur l'entrée du multiplicateur, de 22 kΩ en 1/2 Watt;
    - une résistance (R2) de protection de la sortie (-THT), de 10 MΩ 1/2 Watt ;
    - une embase (SL) circulaire en laiton de 6/10 mm d'épaisseur, de 160 mm de diamètre, comportant 4 pointes soudées (Pte) de 50 mm de longueur, constituant le premier élément de l'optique électronique ;
    - une plaque circulaire (P1) en PVC rigide, de 3 mm d'épaisseur, de 160 mm de diamètre, assurant le positionnement des pointes et constituant le second élément de l'optique électronique ;
    - une plaque circulaire en laiton de 6/10 mm d'épaisseur (P2), 160 mm de diamètre, fixée à la plaque (PL), comportant 4 ouvertures circulaires concentriques aux pointes, de 11 mm de diamètres, constituant le troisième élément de l'optique électronique ;
    - une plaque circulaire (P3) en PVC rigide, de 3 mm d'épaisseur, 160 mm de diamètre, comportant 4 ouvertures circulaires concentriques aux pointes, à bord chanfreiné, de 10 mm de diamètre à la base, constituant le quatrième élément de l'optique électronique.
  • Les plaques (S1) et (P1/P2) sont dis­tantes de 25 mm, les plaques (P2) et (P3) sont distantes de 25 mm.
  • Sous une tension de 3,5 kV le flux électronique émis par une pointe correspond à un courant mesuré de 3,0 microampères ; cette mesure est effectuée entre une pointe et une large plaque conductrice placée à 1,5 cm de ladite pointe, distance minimum requise pour éviter tout amorçage faussant la mesure. Ce débit correspond à l'émission moyenne de 2.10¹³ électrons par seconde et par pointe (20.000 milliards).
  • Il est évident qu'un tel exemple de réalisation n'épuise nullement l'invention qui peut mettre en oeuvre une alimentation (THT) à oscillateur ou toute autre source équivalente, une optique électro­nique à disposition radiale (cylindre, sphère...), de même que toute autre disposition respectant les exigences de fonctionnement de ladite optique.

Claims (10)

1°) Générateur d'ions négatifs en milieu gazeux confiné ou en atmosphère libre ou confinée ayant une source de très haute tension continue négative (THT) alimentant un ensemble de pointes émissives d'électrons (Pte), dis­posées concentriquement à une série de plaques conductrices et isolantes successives (S1, P1, P2, P3) constituant un dispositif optique électronique d'accélération, focalisa­tion et diffusion des ions négatifs produits, dispositif comportant deux sous-ensembles autonomes :
- une source de très haute tension continue négative (THT) apte à délivrer le courant nécessaire au second sous-ensemble ;
- un bloc optique électronique comportant les pointes émissives d'électrons (Pte) et les différents éléments (S1, P1, P2, P3) indissociables créant la configuration de champ électrique nécessaire au résultat à atteindre.
2°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les éléments (S1) con­ducteur et (P1) isolant assurant un positionnement des pointes (Pte) et la contribution à la configuration du champ électrique dans l'espace compris entre (S1) et (P1).
3°) Dispositif suivant la revendication 2, carac­térisé en ce qu'il comporte un troisième élément (P2) conducteur muni d'une ouverture circulaire concentrique à la pointe (Pte), situé à mi-distance entre l'élément (S1) et l'extrémité libre de ladite pointe, et fixé sur l'élément isolant (P1)/
4°) Dispositif suivant la revendication 2, carac­térisé en ce que l'élément conducteur (P2), porté au potentiel zéro de la masse, entraîne le rabattement de l'équipotentielle zéro en arrière de l'extrémité libre de la pointe (Pte).
5°) Dispositif suivant la revendication 4, caracté­risé en ce que le champ électrique à l'extrémité libre de la pointe (Pte) acquiert de ce fait une intensité considérable­ment supérieure à sa valeur en espace libre, pour une même tension de ladite pointe (Pte).
6°) Dispositif suivant la revendication 4, carac­térisé en ce que la configuration de champ électrique résultante assure la focalisation et l'émission de la totalité du flux d'électrons issus de la pointe (Pte), que ladite pointe soit unique ou que les pointes soient disposées en une ligne ou une nappe selon la puissance désirée.
7°) Dispositif suivant la revendication 2, carac­térisé en ce qu'il comporte un quatrième élément (P3) isolant, muni d'une ouverture circulaire concentrique à la pointe (Pte), de sorte que l'extrémité libre de la­dite pointe soit située dans le plan de la face d'entrée de ladite ouverture.
8°) Dispositif suivant la revendication 7, carac­térisé en ce que l'élément (P3) isolant contribue à la configuration finale externe du champ électrique et à la diffusion atmosphérique des ions provenant de la pointe (Pte), et qu'il assure simultanément la protection des éléments portés à très haute tension vis-à-vis de l'extérieur.
9°) Dispositif suivant la revendication 1, carac­térisé en ce que les caractéristiques de l'optique élec­tronique sont conservées dans toute la plage d'utilisation du dispositif (entre zéro et la valeur maximum de la THT).
10°) Dispositif suivant la revendication 9, carac­térisé en ce que sa structure électronique en autorise l'uti­lisation dans le domaine biomédical, hygiénique ou thérapeu­tique sans entraîner d'effets nocifs, en particulier lorsque de très fortes concentrations ioniques sont nécessaires au traitement.
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