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EP0259220B1 - 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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Publication number
EP0259220B1
EP0259220B1 EP87401923A EP87401923A EP0259220B1 EP 0259220 B1 EP0259220 B1 EP 0259220B1 EP 87401923 A EP87401923 A EP 87401923A EP 87401923 A EP87401923 A EP 87401923A EP 0259220 B1 EP0259220 B1 EP 0259220B1
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EP
European Patent Office
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plate
spikes
emitting
negative ions
electric field
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP87401923A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0259220A1 (fr
Inventor
Jacques Léon Georges Breton
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 oxygen simply ionized) 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 endowed with particular physico-chemical and physiological properties.
  • An example of a known device (French patent FR-A-2 270 700) comprises a set of tips fixed on a conductive base plate and are brought to a voltage of the order of -4 kV.
  • a second perforated plate, the openings of which are coaxial with the tips, is placed in front of the free end of said tips and is brought to an intermediate negative voltage of the order of -1.5 kV.
  • the space charge present in the vicinity of the point, also plays the antagonistic role, completing the reduction of the ion flow actually available, resulting in an atmospheric density insufficient for the needs in question.
  • the generator according to the invention allows totally avoid these drawbacks and remove these faults.
  • This device thus comprises a set of long emitting points (thus increasing the field at their end), these points being 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 and an almost complete diffusion of the emitted electrons and allowing the use of moderate voltages (of the order of 3.5 kV much lower than the ozone production threshold). Also, this device allows the implementation of a number of tips as high as necessary, while 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 use 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 hygienic or therapeutic application.
  • FIG. 1 is a diagram (block) of the device in the form of elementary functions provided by each of its parts;
  • FIG. 2 is a block diagram of the elements of the electronic optical configuration, with the distribution of the equipotentials and the electric field;
  • the device which is the subject of the invention comprises:
  • a power source for the emitting tips (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 plate (P2) fixed to the plate (P1) and completely covering the surface of said plate (P1), pierced with circular openings, coaxial with the tips (Pte), ensuring optimal distribution of the equipotentials, but excluding all risk of priming between said tips (Pte) and said plate (P2) maintained at the "zero" potential of the mass;
  • an internal insulating plate (P3) which can constitute the "housing" of the device which is the subject of the patent, pierced with circular chamfered openings coaxial with the emitting points (Pte), ensuring the diffusion of the electrons emitted by said points.
  • 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 plate openings (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 tips (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 the pointed 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:
  • Tr transformer with high primary / secondary insulation (greater than 100 M ⁇ ) allows the secondary to have an effective variable voltage between zero and 300 Volt for an average power consumption of 5 Watt;
  • a voltage multiplier comprises 12 diodes with controlled avalanche, of peak reverse voltage 1200 VOIt, of peak current 1 Ampere, and 12 Wima capacitors, of type FKPl, 10 nF, operating voltages 1600 Vdc, 500 Vac; the very high negative voltage (-THT) obtained can then vary between zero and -3500 V;
  • P1 a circular plate (P1) of rigid PVC, 3 mm thick, 160 mm in diameter, ensuring the positioning of the tips and constituting the second element of electronic optics;
  • P3 in rigid PVC, 3 mm thick, 160 mm in diameter, comprising 4 circular openings concentric with the tips, with chamfered edge, 10 mm in diameter at the base, constituting the fourth element of the electronic optics.
  • 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 point (20,000 billion).

Landscapes

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

Description

  • "Générateur d'ions négatifs en milieu gazeux, de grande puissance, à configuration de champ électrique de haute intensité".
  • 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. Immediatement captés par les molécules d'oxygene de l'air, ces électrons transforment celles-ci en des ions oxygène négatifs dotés de propriétés physico-chimiques et physiologiques particulières.
  • Un exemple de dispositif connu (brevet français FR-A-2 270 700) comporte un ensemble de pointes fixées sur une plaque d'embase conductrice et sont portées à une tension de l'ordre de -4 kV. Une seconde plaque perforée, dont les ouvertures sont coaxiales avec les pointes, est placée en avant de l'extrémité libre desdites pointes et est portée à une tension négative intermédiaire de l'ordre de -1,5 kV. Toutefois, une telle configuration entraîne la capture inévitable d'une partie du flux ionique, n'assure pas une valeur très élevée du champ électrique à l'extrémité émissive des pointes et, de ce fait, n'assure pas une émission ionique maximum.
  • Ces dispositifs présentent ainsi plusieurs défauts fondamentaux qui en limitent les performances et l'intérêt, en particulier dans les domaines industriels et thérapeutiques :
  • - 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 générateur suivant l'invention permet d'éviter totalement ces inconvénients et de supprimer ces défauts.
  • L'invention concerne ainsi un générateur d'ions négatifs en milieu gazeux confiné ou en atmosphère libre ou confinée, ayant une source de très haute tension continue négative constituant un premier sous-ensemble et un dispositif d'émission d'ions négatifs constituant un second sous-ensemble relié électriquement au premier sous-ensemble pour son alimentation en énergie électrique, ce dispositif d'émission d'ions négatifs constituant un bloc optique électronique d'accélération, focalisation et diffusion des ions négatifs produits et comportant des pointes émissives d'électrons disposées coaxialement dans des trous de plaque créant, avec les pointes, le champ électrique nécessaire à l'émission d'ions négatifs, générateur caractérisé en ce que les plaques du dispositif d'émission d'ions négatifs comprennent :
    • une plaque d'embase portant les pointes émissives et étant reliée au pôle négatif de la source de très haute tension,
    • une plaque isolante extérieure avec des ouvertures circulaires coaxiales avec les pointes, arrangée de façon que les extrémités libres des pointes sont situées dans les ouvertures,
    • une plaque conductrice située à mi-distance entre la plaque d'embase et la plaque isolante extérieure, ayant des ouvertures coaxiales avec les pointes et étant reliée au sol, et
    • une plaque isolante intérieure fixée du côté dirigé vers la plaque d'embase de la plaque conductrice et assurant le positionnement des pointes.
  • Ce dispositif comporte ainsi un ensemble de longues pointes émettrices (accroissant ainsi le champ à leur extrémité), ces pointes étant incluses dans un ensemble de diaphragmes conducteurs et isolants constituant l'équivalent d'un système optique électronique, assurant la présence d'un champ électrique très intense à l'extrémité des pointes et une diffusion quasi-complète des électrons émis et permettant l'usage de tensions modérées (de l'ordre de 3,5 kV très inférieures au seuil de production de l'ozone). Egalement, ce dispositif permet la mise en oeuvre d'un nombre de pointes aussi élevé que nécessaire, tandis que la présence d'écrans isolants de sécurité ne diminue 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 1'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 pointes 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 d'embase (S1) conductrice sur laquelle sont fixées (soudure, sertissage, etc.) les pointes émettrices (Pte) ;
  • - une plaque isolante extérieure (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, coaxiales 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 intérieure (P3), pouvant constituer le "boîtier" du dispositif objet du brevet, percée d'ouvertures chanfreinées circulaires coaxiales 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, cree 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'équlpotentielle "zéro" autorise au surplus l'utillsation d'un nombre aussi élevé que nécessaire de pointes émettrices sans diminution appréciable du champ électrique au voisinage des pointes, et par là-même sans 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 desdltes 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 zero et 300 Volt pour une puissance moyenne consommée de 5 Watt ;
  • - un multiplicateur de tension (Mult) comporte 12 diodes à avalanche contrôlée, de tension inverse de crête 1200 VOIt, de courant de crête 1 Ampère, et 12 condensateurs Wima, de type FKPl, 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 (2)

  1. Générateur d'ions négatifs en milieu gazeux confiné ou en atmosphère libre ou corfinée, ayant une source de très haute tension continue négative (THT) constituant un premier sous-ensemble et un dispositif d'émission d'ions négatifs constituant un second sousensemble relié électriquement au premier sous-ensemble pour son alimentation en énergie électrique, ce dispositif d'émission d'ions négatifs constituant un bloc optique électronique d'accélération, focalisation et diffusion des ions négatifs produits et comportant des pointes émissives d'électrons disposées coaxialement dans des trous de plaque créant, avec les pointes, le champ électrique nécessaire à l'émission d'ions négatifs, générateur caractérisé en ce que les plaques du dispositif d'émission d'ions négatifs comprennent :
    - une plaque d'embase (S1) portant les pointes émissives (Pte) et étant reliée au pôle négatif de la source de très haute tension,
    - une plaque isolante extérieure (P3) avec des ouvertures circulaires coaxiales avec les pointes, arrangée de façon que les extrémités libres des pointes sont situées dans les ouvertures,
    - une plaque conductrice (P2) située à mi-distance entre la plaque d'embase (S1) et la plaque isolante extérieure (P3), ayant des ouvertures coaxiales avec les pointes et étant reliée au sol, et
    - une plaque isolante intérieure (P1) fixée du côté dirigé vers la plaque d'embase (S1) de la plaque conductrice (P2) et assurant le positionnement des pointes.
  2. Générateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque conductrice (P2) située à mi-distance entre la plaque d'embase (S1) et la plaque isolante extérieure (P3) est reliée au sol.
EP87401923A 1986-08-29 1987-08-24 Générateur d'ions négatifs en milieu gazeux, de grande puissance, à configuration de champ électrique de haute intensité Expired - Lifetime EP0259220B1 (fr)

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FR8612448 1986-08-29

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