Generator jonów ujemnych DIY z filtrami termoemisji – projekt, schemat, filtr HEPA, katalizator MnO₂

Pytanie

JAK zbudować generator jonów ujemnych z filtrami termoemisji

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• W warunkach atmosferycznych „generator jonów ujemnych z filtrami termoemisji” w ścisłym, lampowym sensie (żarzona katoda emitująca elektrony) jest niepraktyczny – prawdziwa termoemisja wymaga głębokiej próżni lub kontrolowanego gazu i specjalnych materiałów.
• Do zastosowań pokojowych zalecam konstrukcję hybrydową: klasyczny jonizator koronowy (ujemne HV + ostre emitery) połączony z:
  • sekcją filtracji mechanicznej (prefiltr + HEPA) oraz
  • sekcją „termiczno‑katalityczną” (podgrzewany filtr katalityczny MnO₂/aktywny węgiel do rozkładu ozonu).
• Jeżeli koniecznie chcesz wykorzystać termoemisję „na serio”, to tylko w podejściu laboratoryjnym: źródło elektronów z katodą żarzoną pracujące w próżni/obniżonym ciśnieniu, dalej komora z gazem i polem elektrycznym – rozwiązanie kosztowne i złożone.

Kluczowe punkty:

• Do generatora pokojowego: ujemne DC 5–10 kV, prąd w zakresie µA–set µA, emiter igłowy/węglowy, rezystor 20–50 MΩ w wyjściu, siatka/ekran uziemiony, za tym filtr HEPA i termokatalizator ozonu.
• „Filtr termoemisyjny” w powietrzu nie ma sensu – zastępujemy go filtrem termiczno‑katalitycznym.

Szczegółowa analiza problemu

• Podstawa fizyczna praktycznych jonizatorów pokojowych to wyładowanie koronowe: bardzo silne pole przy ostrzu ujemnej elektrody powoduje przyłączanie elektronów do O₂ i powstawanie O₂⁻ oraz klastrów (O₂⁻·(H₂O)n). Elektrony swobodne w powietrzu atmosferycznym są błyskawicznie „chwy­tane” (czasy życia rzędu ns–µs), więc osobny „filtr elektronów” jest zbędny – ważniejsza jest geometria pola, dystanse i ograniczenie prądu, aby nie przejść w streamer/iskrę.
• Prawdziwa termoemisja (prawo Richardsona–Dushmana) wymaga rozgrzanej katody (wolfram/katody tlenkowe) do kilkuset–kilku tysięcy °C, ale w powietrzu żarnik natychmiast się utlenia/spala. Dlatego termoemisję stosuje się w lampach elektronowych (próżnia 10⁻⁵…10⁻⁷ mbar) lub w gazach szlachetnych przy niskim ciśnieniu. W otwartym powietrzu to rozwiązanie nie jest praktyczne dla domowego generatora jonów.
• „Filtry” w układach oczyszczania powietrza: realnie stosuje się filtrację mechaniczną (HEPA), elektrostatyczną (płyty zbierające) i katalityczną/adsorpcyjną (MnO₂, węgiel aktywny). Część producentów używa marketingowego słowa „plazma/termo…” – z punktu widzenia inżynierskiego chodzi o redukcję ozonu i skuteczniejsze wychwytywanie pyłu, nie o selekcję jonów przez termoemisję.

Proponowane dwie architektury:

1. Konstrukcja użytkowa (rekomendowana)

• Źródło HV DC ujemne: −5…−10 kV, zdolne dostarczyć 50–300 µA.
• Emiter: wiązka włókien węglowych lub zespół ostrych igieł nierdzewnych; krawędzie bardzo ostre.
• Rezystor wyjściowy: 20–50 MΩ w szereg z emiterem (łańcuch kilku rezystorów wysokonapięciowych), dla stabilizacji i bezpieczeństwa.
• Ekran/siatka ochronna: uziemiona, w odległości 10–30 mm od emiterów, formująca pole i chroniąca przed dotykiem.
• Strumień powietrza: cichy wentylator 5–12 V wymuszający przepływ przez filtrację i strefę jonizacji.
• Filtry: wlotowy prefiltr + HEPA; na wylocie blok katalityczny (MnO₂/aktywny węgiel). Sekcję katalityczną można lekko podgrzać (50–90°C) taśmą grzejną/kanthalem na ceramicznym nośniku – podnosi to wydajność rozkładu O₃ („termiczno‑katalityczne” wykończenie).

2. Konstrukcja laboratoryjna (termoemisja „prawdziwa”)

• Katoda żarzona w próżni (lampowa lub własna komora), zasilanie żarzenia i anodowe, siatka sterująca.
• Komora jonizacyjna z kontrolowanym gazem i ciśnieniem, sekcja ekstrakcyjna i dysza wyjściowa.
• To de facto źródło jonów jak w spektrometrii mas – zdecydowanie poza zakresem prostego DIY do oczyszczania powietrza.

Aktualne informacje i trendy

• W urządzeniach konsumenckich rośnie nacisk na „zero‑ozone”: weryfikacje wg UL 867 (limit emisji ozonu 50 ppb) i program UL 2998 („Zero Ozone”). Coraz częściej stosuje się kombinację: HEPA + jonizacja o niskiej emisji + kataliza/adsorpcja ozonu.
• Dyskusyjna, „bipolarna jonizacja” w HVAC jest krytykowana za niejednoznaczne korzyści i ryzyko O₃ – trend idzie w stronę rozwiązań z certyfikowaną niską emisją ozonu i twardą filtracją mechaniczną.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Napięcie/prąd: dla kilku–kilkunastu ostrzy −6…−8 kV zwykle wystarcza. Wyższe napięcia zwiększają emisję, ale rosną straty na ozon i ryzyko streamerów.
• Geometria: krótkie, bardzo ostre końcówki zwiększają wzmocnienie pola, pozwalając zejść z napięcia.
• Materiał emitera: włókna węglowe są bardzo skuteczne (wiele mikropunktów emisji, niski prąd na punkt).
• Rezystory HV: buduj łańcuch (np. 10× 5 MΩ) – rozkład napięcia, mniejsze ryzyko przebicia.
• Izolacja i odstępy: w powietrzu przy 10 kV zostaw min. 10 mm odstępu powierzchniowego; unikaj ostrych krawędzi metalowych wewnątrz obudowy; stosuj silikon/żywicę do zalewania węzłów WN.
• Pomiary: użyj dzielnika HV (≥1000:1) lub dedykowanego miernika kV; standardowe multimetry się nie nadają.

Aspekty etyczne i prawne

• Ozon i NOx: nadmierna produkcja jest szkodliwa dla zdrowia; w USA referencyjnie przyjmuje się, że domowe oczyszczacze nie powinny przekraczać ~50 ppb O₃ (kryteria typu UL 867).
• Zgodność i bezpieczeństwo: rozważ projekt zgodny z wymaganiami urządzeń domowych (zabezpieczenia przed dotykiem części WN, PE, bezpieczniki, filtr EMI).
• Prywatność/brak: nie dotyczy.

Praktyczne wskazówki

• Zasilacz HV: najprościej użyć gotowego modułu ujemnego HV (5–10 kV DC, 50–200 µA) z izolacją do pracy ciągłej; alternatywnie multiplikator Cockcrofta‑Waltona na kondensatorach/diodach WN zasilany z małego transformatora/flybacka.
• Montaż krok po kroku:
  1. Mechanika i filtracja: komora z torem powietrza, prefiltr + HEPA, za HEPA miejsce na katalizator (kaseta z MnO₂/węglem).
  2. Sekcja WN: zamontuj moduł HV w osobnej wnęce, zalany żywicą/izolowany, wyjście −HV przez 20–50 MΩ na listwę emiterów. Dodatnia strona HV do masy/PE.
  3. Emitery: 10–30 igieł/włókien węglowych, końcówki w jednej płaszczyźnie; 10–20 mm przed nimi uziemiona siatka ochronna.
  4. Termokatalizator: ceramiczny nośnik/wkład z MnO₂/węglem; opcjonalnie grzałka 20–40 W z regulacją temperatury 50–90°C (czujnik NTC).
  5. Wentylator: 12 V DC, 80–120 mm, niski szum; sterownik PWM.
  6. Testy: sprawdzenie upływności/iskier na zimno, następnie pomiar HV i „wiatru jonowego”, kontrola braku wyczuwalnego zapachu ozonu przy pracy ciągłej.
• Najczęstsze problemy i obejścia:
  • „Syczenie”, przeskoki: zbyt małe odstępy, ostre krawędzie, wilgoć – popraw izolację, powiększ dystanse.
  • Zapach ozonu: zmniejsz napięcie, zwiększ rezystor wyjściowy, przesuń emitery dalej od siatki, dołóż/ogrzej katalizator.
  • Brak efektu: tępe igły – ostrzenie/wymiana, zbyt niskie HV, brak masy/PE.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• „Filtr termoemisyjny” jako selektor jonów w powietrzu jest pojęciem niestandardowym; jeżeli przez to rozumiesz „siatkę gorącą” mającą neutralizować elektrony – w atmosferze nie ma to praktycznych korzyści, bo elektrony i tak szybko przyłączają się do O₂. Znacznie lepszy efekt daje filtracja mechaniczna + kataliza ozonu.
• Wysoka wilgotność obniża napięcie zapłonu i sprzyja streamerom – mechaniczna stabilność pola jest wtedy kluczowa.

Sugestie dalszych badań

• Jeżeli interesuje Cię termoemisja „prawdziwa”: zacznij od gotowej lampy elektronowej (zasilanie żarzenia i anody), pomiary charakterystyk I–V, a potem proste układy próżniowe (wymaga pomp i szkła).
• Dla toru powietrznego: literatura nt. elektrofiltrów i katalitycznego rozkładu ozonu; standardy UL 867 i UL 2998 jako punkt odniesienia projektowego.
• Z punktu widzenia pomiarów: budowa prostego miernika jonów (komora Faradaya z elektrometrem) do ilościowej oceny strumienia.

Krótkie podsumowanie

• Do zastosowań praktycznych zbuduj ujemny jonizator koronowy z dobrym uziemieniem, rezystorem wyjściowym i ekranem, połączony z filtracją HEPA i podgrzewanym blokiem katalitycznym do rozkładu ozonu. To jest technicznie właściwy zamiennik nieistniejącego w praktyce „filtra termoemisyjnego” w powietrzu.
• Prawdziwa termoemisja ma sens jedynie w próżniowych źródłach jonów – to już projekt laboratoryjny.
• Jeśli podasz zasilanie, docelową kubaturę pomieszczenia i ograniczenia gabarytowe, przygotuję konkretną listę elementów (BOM), wstępny dobór modułu HV, wartości rezystorów i wskazówki montażowe pod Twoje założenia.