负氧离子发生器技术

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1.负氧离子人工生成技术发展进程^[1]

18世纪，物理学家库仑就通过实验发现，绝缘的金属导体所带的电荷会在大气中消失。进而物理学家伦琴和贝克勒尔研究发现，电解质溶液中的气体带有正极性或负极性的电荷微粒，由于这些带电微粒的存在，使气体具有导电的性能。物理学家艾斯特尔、盖特勒和威尔逊也用大气导电性的理论对库仑的实验结果作出解释。这种空气中的导电微粒，被物理学家法拉第称为“离子”，“空气离子”因而得名。
　　经历100多年后，J .Thomson第一个以公式方法来表达离子的特性，同时建立了正、负离子的模型，接着Eiseer和Geieel两人证明了离子的存在，即带有正、负电荷的粒子，其粒径略大于分子的直径。1905年Langerin在大气中发现了第二种离子称为Langerin离子或大直径带电粒子，又称为重离子。到1909年A.Pouer发现了第三种离子即中等直径的离子，称之为中离子。到20世纪30年代德国Dessauer开创了大气正、负离子生物的研究。他首先使用了电晕离子发生器，从此形成了关于负离子生物效应的第一次研究高潮，有数以百计的论文，研究和实验报告，证明了负离子对人体有明显的有益作用，而正离子则相反，特别对人的血压和新陈代谢有明显的破坏作用。这些研究由于发生第二次世界大战而终止。美国加州大学的ALbeterPani Kragan教授和他的研究小组开创了离子生物效应的微观研究与实验，把对空气负离子的研究推向了第二次开发与使用的高潮。Kragan教授做了大量的动植物和人体试验，从人体的内分泌和机体内部循环及各种酶的生成反应等方面去论证负离子是如何影响人体和动植物的，是如何产生各种生物效应的。世界各国许多研究者也在他们各自研究的基础上，进行了以上的试验，认为负氧离子有明显的生物效应。国外已开发出不少新型负离子发生器以供实验研究与在空调房间和医疗卫生领域中使用。
　　从1889年德国科学家Elster和Gertel发现了空气负离子的存在，德国物理学家PhilipLeonard博士第一个在学术上证明负离子对人体的功效，到1902年Asamas等肯定了空气离子存在的生物意义.1903年俄罗斯学者发表了用空气负离子治疗疾病的论文，相继1932年美国RCA公司Hamsen发明了世界上第一台医用空气负离子发生器，半个世纪以来，空气负离子研究在欧、美、日各国已经历了很长的发展、应用阶段。

2.负氧离子发生器工作原理 ^[2]

产生负氧离子的方法有多种，如:

• 紫外线照射法
• 热离子发射法
• 放射物质辐射法
• 电荷分离法
• 高压水喷射法
• 电晕放电法

在1976年荣获日内瓦国际新发明新技术展览会金奖的AS系列负氧离子发生
器是利用电晕放电来产生负离子的。一种负氧离子发生器的结构如图 2-1 所示

图2-1.png

在图 2-1 中，排针状负极和环形正极之间加上直流高压 3~4 千伏，在排针状负极便产生电晕放电，使空气电离。由于氧的电子亲和能力远大于氮等其他气体的电子亲和能，故空气电离的大量自由电子大部分为氧分子所俘获而形成负氧离子 。这些负氧离子受负高压的排斥而离去，有的还在负极后面装上小的轴向风机，负氧离子在电场和风机风力的作用下，在环形正电极的缝隙中源源不断地排出，形成含有大量负氧离子的清新空气。

3.氧离子的生产机理

空气主要是由氮(占空气的 78.09%)氧(占空气的 20.95%)等气体组成。在正常情况下 呈中性，但由于宇宙射线，紫外线，微量放射性物质的辐射，以及一些物理和化学反应等，会使空气中极少数中性分子(或原子)电离成自由电子和正离子，自由电子往往又同中性分子结合成负离子。由于各种气体原子(或分子)的电子亲和能的强弱各不相同，亲和能大的容易吸附电子生成负离子，氮的电子亲和能为 0~0.05 电子伏特，氧的电子亲和能为 1.13~1.47 电子伏特，且在低层
大气中含量最丰富，因此，空气电离的自由电子大部分为氧分子俘获而成为负氧离子，过程如下：^[2]

但在电离过程中也有的氧分子被还原为氧原子

如果氧原子再与氧分子结合，则生成臭氧

以上说的是电离式负氧离子发生器电极附近的情况 。
^[3]
　
负离子发生器工作原理来源于电晕放电。电晕放电是气体自持放电的一种形式，它不需要外加电离源来引发和维持放电。为了保持稳定的电晕放电，必须形成一个非均匀电场。随着施加在电极间的电压的增加，导线附近的空间电场强度也将增大。通常在自由空间中，由于宇宙辐射，每立方厘米空气中大约有1000个自由电子存在，这些自由电子在电场的作用下，会受到加速，撞击气体原子或分子。自由电子的加速度会随着电场强度的增加而增大，自由电子在撞击气体原子或分子前积累的能量也随之增大。当电场强度达到气体放电的临界值时，自由电子在撞击前积累的能量将足以从气体原子或分子撞击出一个电子。此时在导线附近一个小范围内的空气就开始电离，出现了气体的非自持放电。继续升高电压，气体的电离将加剧，形成大量电子崩，产生大量的电子和正负离子，并伴随着发出淡蓝色的辉光和咝咝声，放电也就由非自持放电转变为自持放电。这种特定形式的气体放电就称为电晕放电。

电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场强度很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近或大或小的薄层中，气体的发光也只发生在这个区域里，这个区域称为电离区域，或称之为电晕层或起晕层。在区域之外，由于电场弱，不发生或很少发生电离，电流的传导依靠正离子、负离子或电子的迁移运动，因此电离区域之外的区域被称为迁移区域或外围区域。若两电极中仅有一个电极起晕，则放电的迁移区域中基本上只有一种符号的带电粒子，在此情况下，电流是单极性的。本实验中的负离子发生器形成不均匀电场的两个电极分别是加负高压的电晕线极和接地电极，发生的是负电晕放电，其形成的就是负极性的电晕电流。

电晕放电产生后，若再进一步增大两电极间的电压，电晕区将逐渐扩大，亮度及咝咝声也越来越大。当电压升高到某一值时，在某些放电点上可以出现向外辐射的刷状细火花，它的范围要比正常的电晕区大得多，咝咝声中还伴随着拆裂声。这种放电形式称为刷状放电。电压继续升高，刷状火花越来越长，最后将在正负两极间构成通道，产生气体的击穿，两极间的电压将随之急剧下降。根据电源容量的大小，击穿可以表现为弧光放电的形式，也可以表现为火花放电的形式。

当电源容量足够大时，气体击穿后会有很大的放电电流流过，在电极间形成电弧，称为弧光放电;如果电源容量较小，则气体击穿以后，放电电流会受到限制，使之不足以形成电弧，这时的放电就会停留在火花放电阶段。火花放电是一束明亮曲折、常常又是分叉的细丝，这些细丝很快地穿过放电间隙，又很快地熄灭，熄灭后随即再度产生。火花放电的电流比弧光放电要小得多。

为了使发生器能正常工作，必须在电极间加以一定的电压，使之形成电晕放电。形成电晕放电的最低电压称为起晕电压。此时由于空气被电离而出现大量离子，在电压的作用下就会有一定的电晕电流流过，电晕电流将随着电压的升高而增大。当然由于空气中自由电子的存在，即使在所加电压远小于起晕电压时，电极间也会因自由电子的流动而形成电流，但这些自由电子的数目不大，所形成的电流和电晕电流相比是微不足道的。^[4]

4. 负氧离子的浓度分析 ^[2]

负氧离子发生器的一个重要技术指标是负氧离子浓度。一般在发生器说明书
中标出的浓度数值，是表示在负氧离子发生器正前方 20厘米处空气中的负氧离
子浓度，大于或小于20厘米处的浓度不一样，因此，对负氧离子的浓度必须进
行理论计算与测试。 从负氧离子发生器中排出的负氧离子流中，含有传导电流
和运流电流，即



(2)带入(1)得

利用高斯定理

现在讨论氧离子以恒定速度运动的一维稳态系统，由于

(4)变为

(5)有指数衰减解

因为
故负氧离子浓度为

结果表明：稳态系统的负氧离子浓度 n 从针状负极开始，随距离指数地减小，
如图 2-2 所示，实验观测值与理论计算值相符。

图2-2.png

• 以上两结论表明
  1.负氧离子发生器工作时，只在负氧离子发生器前面一定空间区域才有人们所需的负氧离子浓度，不可以为室内处处都有相同的负氧离子浓度 。
  2.要保持某一空间区域有恒定的负氧离子浓度，必须不停地使用后负氧离子发生器

5.空气负离子与温湿度的关系^[5]

文章通过模拟自然条件下的温度和湿度，对空气负离子浓度进行了几个月的连续测试，详细讨论了温湿度变化对负离子浓度的影响。同一地点来自环境的射线强度基本保持不变，即实验环境中只有温度和湿度变化.

实验表明当相对湿度从10%变至80%，负离子浓度从200个/cm3升至8000个/cm3以上。

a.在自然条件下的温湿度范围内，由实验得出空气负离子浓度随着温度或湿度的升高而升高，随温湿度同时升高而升高。

b.湿度和温度同时变化时，空气负离子浓度的变化率比一个因素变化时大，而且湿度对空气负离子浓度的影响比温度更明显。在温度和湿度都很高的情况下，负离子浓度也很高。

6.负离子发生器的结构

6.1 负离子发生器的构成 ^[4]

负离子发生器一般由本体、电晕线发射端、接地端、电源输入端构成。

负离子发生器组成.png

如图1所示，交流电压经过降压、整流、滤波，成为直流电，再经振荡器、放大电路、开关管，经高压磁包去控制放电极针产生负离子。高压磁包即高频变压器，高压包内有高压硅堆对其逆变电压进行整流，因此其输出的是经过整流的直流电。凡是逆变的电流都属交流的一种，变压器的储能和释放能量时的电流方向是相反的。电流方向固定不变化的电流才叫直流电。逆变有单端、桥式几种，有单端正激式、单端反激式、半桥式、全桥式等多种。
　　
本体：是由塑料材料作为外壳，采用阻燃环氧树脂封装而成的高压绝缘体。本体外壳通常采用PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酷)或PEI(聚乙醚)注塑成型，材料必须耐高温超过200℃，阻燃绝缘。

电晕线发射端：通常采用金属针或碳纤维。

接地端：采用铜片与地相连。

电源输入端：电源供电导线。

6.2电源电路^[6]

负离子发生器电路图.jpg

上图是一种高效开放式负离子发生器，它采用可控硅逆变高压，悬浮式放电针，结构简单，效果良好，安全可靠。市电电压在160V～250V均能正常工作，且耗电极省，仅1W左右，因此可长期连续工作。

220V市电经VD1、VD2和R1、R2的整流、限流，单向脉动电流控制VS的通断，产生振荡，经变压器T升压后，经VD3整流得到万伏左右的负高压，经放电针对空气放电，产生电离，生成负离子。

附加参考：自制负离子发生器教程(三种电路设计方案分享)

6.3负离子发生器的封装^[4]

高压磁包由于产生高压、高温，极易产生电火花，容易击穿周围电子元件，因此这里采用Tenon(铁氟龙)封装高压磁包。高压磁包外部被含有阻燃耐热性树脂的环氧树脂或者含有皿鳌(氨基甲酸乙酷)树脂的塑胶粉灌浇处理。PCB焊接(Soldering)面被塑胶粉覆盖的同时也能填充绝缘空隙部分;空隙部分被阻燃环氧树脂封填，避免了电路元件间的相互干扰，能够提高电路元件的使用寿命。

6.4我国的负离子高技术^[1]

中国已经有了属于自己的高端负离子专利技术：负离子转换器技术、纳子富勒烯释放器技术，使得负氧离子在医疗上已成为一种辅助医疗手段。

负离子转换器是应用在负离子生成设备上的转一种特殊部件，可以使设备产生小粒径空气负离子即轻离子，小粒径负离子具有动能高、活性高的特点，有很大的迁移距离和速度，在没有风机外吹的情况下负氧离子也可以覆盖到4-5米。

富勒烯是采用纳米技术制造的电触媒材料，是一种接近超导的材料，也即电阻几乎等于零，在电离子通过该材料时，会产生强大的共振效益，因此极利用电离子的游离析出，所以不像传统的离子释放材料(普通碳纤维金属等)需要很强的电流。只需比较微弱的电流即可释放大剂量、高纯度、高活性、小粒径的负离子。

放电尖端.jpg

7.负氧离子发生器产品举例

以淘宝某品牌负氧离子发生器为例

外观.png

结构.png

参数.png

可以看出其有着-40kv的输出电压和<20w的输出功率。

1. 负氧离子人工生成技术发展进程 ↩ ↩

2. 高科负氧离子研究所 ↩ ↩ ↩

3. 邵长春.负氧离子发生器的测试与维修[J].生物医学工程学杂志,1984,(3): 66-67 ↩

4. 空气负离子与温湿度的关系中图分类号：X16 文献标识码：A 文章编号：1001 - 6929( 2004)02 - 0068 – 03 ↩ ↩ ↩

5. 负离子产生技术 ↩

6. 负离子发生器工作原理 ↩