CN103443548B

CN103443548B - 用于向燃烧容积施加电场的系统和装置

Info

Publication number: CN103443548B
Application number: CN201180069399.3A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·S·哈特威克; 大卫·古德森; 里查德·F·鲁特科夫斯基; 杰夫·奥斯勒; 克里斯多佛·A·威克洛夫
Original assignee: Clearsign Combustion Corp
Current assignee: Clearsign Technologies Corp
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: WO2012102697A1; CN103443548A; EP2668447A1; JP2014506666A; EP2668447A4; EP2668447B1; KR20140066660A; CA2825585A1

Abstract

根据实施方式，在燃烧容积中的燃烧受到至少两个顺序施加的非平行电场的影响。根据实施方式，燃烧容积被配备了至少三个单独可调制的电极。根据实施方式，用于燃烧容积的电场施加装置包括用来减少或消除危险的安全装置。

Description

用于向燃烧容积施加电场的系统和装置

技术领域

本发明大体上涉及用于向燃烧容积施加电场的系统和装置。

背景技术

电场可以被施加到火焰上。火焰可以通过改变它的行为（比如通过提高它的热量释放速度）做出响应。

发明内容

根据实施方式，系统可以提供被配置成从火焰的附近通过或从火焰中穿过的多个电场轴。

根据实施方式，大于两个的多个电极可以选择性地产生大于两个的穿过火焰或从火焰附近通过的多个电场轴。根据实施方式，至少一个可选择的电场轴和至少一个其他可选择的电场轴可以呈一定角度而不是相互平行或相互反平行。

根据实施方式，控制器可以依次选择燃烧容积（combustionvolume）中的电场配置。大于两个的多个电极驱动器可以驱动燃烧容积中的有序的电场配置。根据实施方式，控制器可以周期率驱动有序的电场配置。

根据实施方式，多个电场调制状态可以以等于或大于约120Hz的周期性频率被依次产生。根据实施方式，多个电场调制状态可以以等于或大于约1kHz的频率被依次产生。

根据实施方式，燃烧容积中的电场状态的调制频率可以随着燃料输送速度、气流速度、需要的能量输出速度、或其他需要的操作参数而变化。

根据实施方式，算法可以被用来确定电场调制状态的一种或多种序列的一个或多个特性。所述算法可以是输入变量和/或探测到的变量的函数。所述输入变量可以包括燃料输送速度、气流速度、需要的能量输出速度和/或另外的操作参数。

根据实施方式，电场控制器可以包括被配置成根据输入变量和/或探测到的变量来确定燃烧容积中的电场调制状态的序列的模糊逻辑电路。所述输入变量可以包括燃料输送速度、气流速度、需要的能量输出速度、和/或另外的操作参数。

根据实施方式，相关的系统包括但不限于用来提供方法实施例的电路和/或程序设计。硬件、软件和/或固件的组合可以根据系统设计者的喜好来配置。

根据实施方式，一种用于向燃烧容积施加电场的装置包括：被配置成靠近燃烧容积的至少三个电极；以及控制器，其被配置成使用相应的波形驱动所述至少三个电极中的每一个，以产生在整个所述燃烧容积内的周期性变化的电场轴。

燃烧器可被配置成支撑在所述燃烧容积内的火焰。所述燃烧器可被配置为所述电极中的一个。

在一种实施方式中，所述至少三个电极被布置在所述燃烧容积内。所述至少三个电极被配置成选择性地在相应的电极对之间产生电场。例如，所述至少三个电极可被配置成选择性地产生沿着相应的电极对之间的轴线并且通过所述燃烧容积内的火焰的电场。

所述控制器可包括至少三个驱动器，每个驱动器被耦合为向所述电极中的相应的一个提供时变电压。所述控制器可被配置成驱动所述电极产生穿过布置在燃烧室中的火焰的旋转电场。

参数通信模块或传感器模块可以被可操作地耦合到所述控制器并被配置成向所述控制器提供与燃烧室的特性对应的数据或信号。例如，所述燃烧室的特性可包括选自由以下项构成的组的至少一个：燃料流速度、烟道气体温度、烟道气体光密度、燃烧容积温度、燃烧容积亮度、燃烧容积离子化度、一个或多个电极附近的离子化度、燃烧容积打开、燃烧容积保持锁定以及电气故障。

所述控制器可被配置成在所述控制器接收到对应由安全状况、手动关闭命令、燃烧容积打开状态、燃烧容积保持锁定状态、或电气故障构成的组中的一个或多个的数据或信号时，关闭对所述电极的电压驱动。另外地或可选地，所述控制器可被配置成在所述控制器接收到对应由安全状况、手动关闭命令、燃烧容积打开状态、燃烧容积保持锁定状态、或电气故障构成的组中的一个或多个的数据或信号时，将故障状态传送到外部系统。

所述控制器可被配置成响应于所述数据或信号来确定对应于所述相应的波形的一个或多个参数。例如，所述控制器可被配置成使用选自由以下项构成的组的至少一个来确定所述一个或多个参数：对所述数据或信号的值进行组合、对所述数据或信号的值进行比较、对所述数据或信号的值进行微分、对所述数据或信号的值进行积分、响应于所述数据或信号的值执行算法计算、执行对应所述数据或信号的表查找、使用所述数据或信号运行比例积分微分（PID）控制算法、以及使用所述数据或信号作为输入来执行模糊逻辑。所述一个或多个参数可包括选自由以下项构成的组的一个或多个：电极的选择、电极的顺序、波形频率或周期、波形占空比以及电极电压。所述一个或多个参数可响应于选自由以下项构成的组的至少一个准则被选择：烟道清洁度、燃料效率、功率输出、维护问题补偿、系统寿命最大化、燃料变化补偿以及燃料来源补偿。

根据实施方式，一种用于向燃烧容积施加电场的方法包括：在第一调制时间，在燃烧容积中的第一电极和第二电极之间形成至少一个第一电场；以及在第二调制时间，在所述燃烧容积中的所述第一电极和第三电极之间形成至少一个第二电场。在一种实施方式中，所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极中的一个包括燃烧器。

形成至少一个第一电场和至少一个第二电场可被重复且周期性地执行。在一种实施方式中，所述周期是恒定的。在另一实施方式中，所述周期是变化的。在一种实施方式中，所述周期大约是200微秒或更短。例如，所述周期可以为大约70微秒或更短。

所述方法可包括：选择所述第一电场和所述第二电场的重复和周期形成所对应的一个或多个参数。所述一个或多个参数可包括下列项中的至少一个：电极电压、电极选择、重复和周期性形成电场的周期、重复和周期性形成电场的频率、以及与子周期相比的电场形成的占空比。所述一个或多个参数可以是根据选自由以下项构成的组的至少一项选择的：最大化来自所述燃烧容积的热量输出、最大化所述燃烧容积中的反应程度、最大化来自所述燃烧容积的烟道清洁度、最小化来自所述燃烧容积的污染物输出、最大化所述燃烧容积的温度、满足所述燃烧容积中的目标温度、最小化来自所述燃烧容积中的火焰的发光输出、实现所述燃烧容积中的火焰的期望的闪烁、最大化来自所述燃烧容积中的火焰的发光输出、最大化燃料效率、最大化功率输出、补偿维护问题、最大化系统寿命、补偿燃料变化、补偿燃料来源、最小化谐振效应以及适应燃烧容积几何形状的变化。

所述方法可包括：根据至少两个输入参数使用选自由以下项构成的组的至少一个来计算所述周期和电场强度中的至少一个：对输入参数进行组合、对输入参数进行比较、对输入参数进行微分、对输入参数进行积分、执行算法计算、执行表查找、执行比例积分微分（PID）控制算法以及执行模糊逻辑。

在所述第一电极和所述第二电极之间有减弱的电场形成或者没有电场形成的同时，所述至少一个第二电场可以在所述第一电极和所述第三电极之间形成。所述至少一个第一电场和所述至少一个第二电场彼此之间可以呈除了0°或180°以外的一个或多个角度。

所述方法可包括在第三调制时间，在所述第二电极和所述第三电极之间形成至少一个第三电场。在实施方式中，所述第一电场、所述第二电场或所述第三电场中没有一个和所述第一电场、所述第二电场和所述第三电场中的其他任何一个平行或反平行。

所述燃烧容积可包括连续燃烧的火焰。所述第一电场和所述第二电场可被布置成至少部分地通过所述火焰。另外或可选地，所述第一电场和所述第二电场通过被所述火焰产生的离子物质占据的体积。

根据实施方式，一种用来控制燃烧容积中的电场的装置包括：电子控制器，其可操作以在至少一个输出端子输出对应于用于靠近燃烧器的至少一个电极的电压调制模式的调制波形，并且在至少一个第二端子上接收安全信号；以及所述电子控制器中的安全电路，其可操作以响应于所述至少一个第二端子上的状况来将所述调制波形驱动到安全状态。所述安全状态可对应所述至少一个第二端子上的的接地电压。所述至少一个输出端子可被配置成将低电压调制信号传送到放大器。所述至少一个输出端子可被配置成传送来自放大器的高电压调制信号。所述装置还可包括被耦合到所述至少一个第二端子的电路，并且耦合到所述至少一个第二端子的所述电路被配置成探测人们可能接触到所述至少一个电极上的电压的时间。所述电子控制器还可被配置成在所述安全电路被激活时，向监控系统发送故障信号。

所述电子控制器还可包括：被配置成驱动所述调制波形和接收所述安全信号的状态机。所述安全电路可包括被配置成运行计算机指令的微计算机的至少多个部分。

所述至少一个输出端子和相应的至少一个电极可包括三个或更多的输出端子和相应的三个或更多的电极。

所述电子控制器还可包括：一个或多个信号端子、数据端子、或信号和数据端子，其被配置成接收对应于所述燃烧容积中的燃烧状态的感测值；以及波形逻辑电路，其被配置成响应于所述感测值，确定对应于所述调制波形的一个或多个参数。所述电子控制器还可包括：一个或多个信号端子、数据端子、或信号和数据端子，其被配置成接收输入参数；以及波形逻辑电路，其被配置成响应于所述输入参数，确定对应于所述调制波形的一个或多个参数。

附图说明

图1是根据实施方式的被配置用于施加时变电场的燃烧容积的图。

图2A描绘了根据实施方式的对应图1的燃烧容积在第一时间的电场。

图2B描绘了根据实施方式的对应图1的燃烧容积在第二时间的电场。

图2C描绘了根据实施方式的对应图1的燃烧容积在第三时间的电场。

图3是根据实施方式的被配置成提供穿过燃烧容积的时变电场的系统的框图。

图4是根据实施方式的被配置成提供穿过燃烧容积的时变电场的系统的框图。

图5是根据实施方式的用来控制电极调制的时序图。

图6是根据实施方式的说明用来控制电极调制的波形的图。

图7是根据实施方式的说明用来控制电极调制的波形的图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，对附图进行了参考，附图构成了本文的一部分。在附图中，除非文中另做规定，否则相似的符号通常标识相似的部件。在详细描述、附图和权利要求中描述的示例性实施方式不是旨在限定。可以使用其他的实施方式和/或在不背离本公开的精神和范围的情况下做出其他的改变。

图1是根据实施方式的带有系统101的燃烧容积103的图，系统101被配置成用来对燃烧容积103施加时变电场。燃烧器喷嘴102被配置成支撑燃烧容积103中的火焰104。例如，燃烧容积103可以构成锅炉（比如水管锅炉或火管锅炉）、热水箱、火炉、烤箱、暖气管、排气管、炉灶顶部、或相似物的一部分。

至少三个电极106、108以及110被布置在燃烧容积103的附近或内部，以便通过向电极施加电压信号可形成在整个燃烧容积103中的在火焰104的附近或穿过火焰104的电场，火焰104被燃烧器喷嘴102支撑在燃烧容积103内。电极106、108以及110可以分别被相应的引线112、114以及116供电，这些引线可以从控制器和/或放大器（未示出）接收电压信号。

虽然燃烧器喷嘴102被示出为简化的中空圆筒，但是多个可选择的实施例可以被考虑。虽然燃烧器102和电极106、108、以及110被示出为具有各自的形式和几何关系，但是其他的几何关系和形式可以被考虑。例如，电极106、108、110可以具有除了圆筒形以外的形状。根据一些实施方式，燃烧器喷嘴102可以被供电以形成电极中的一个。根据一些实施方式，多个喷嘴102可以支撑燃烧容积103中的多个火焰104。

根据实施方式，第一多个电极106、108、110可以支持第二多个电场轴，所述电场轴在整个燃烧容积103中、在至少一个火焰附近或通过至少一个火焰。根据例子101，一个电场轴可以在电极106和电极108之间形成。另一个电场轴可以在电极108和电极110之间形成。还有另一个电场轴可以在电极106和电极110之间形成。

图1的示例性实施方式可以根据应用在比例上相当大地变化。例如，在相对较小的系统中，燃烧器102的内径可以大约是1厘米，而且电极106、108、110之间的距离可以大约是1.5厘米。在稍大一些的系统中，例如，燃烧器102的内径可以大约是1.75英寸，而且电极之间的距离可以大约是3.25英寸。其他的尺寸以及燃烧器的大小和电极间距之间的比例是可以考虑的。

根据实施方式，算法可以提供用于电极106、108、110的电压序列。算法可以提供实质上不变的电场状态序列或者可以使用一组可变的可用电极提供可变的电场状态序列等等。虽然许多算法可以被考虑用于提供许多电场状态序列，但是用于这三个示例性电极106、108、110的一种简单的电场序列在图2A-2C中示出。

图2A是根据实施方式的至少瞬间在第一时间在电极106和电极108之间形成的标称电场204的描绘图202。电场204被描绘成使电极106保持在正电位而电极108保持在负电位，以致燃烧容积103中的电子和其他带负电荷的物质趋于流动远离电极108并流向电极106。类似地，燃烧容积103中的正离子和其他带正电荷的物质趋于流动远离电极106并流向电极108。

燃烧容积103中的火焰104可能包括多种带电的和不带电的物质。例如，能对电场做出响应的带电物质可能包括电子、质子、负离子、正离子、负粒子、正粒子、带负电荷的燃料蒸汽、带正电荷的燃料蒸汽、带负电荷的燃烧产物、带正电荷的燃烧产物等等。这些带电物质可能存在于燃烧过程中的各个时间和各个点。此外，燃烧容积103和/或火焰可能包括不带电的燃烧产物、未燃烧的燃料、以及空气。火焰中典型地存在的带电物质通常使火焰有很高的导电性。燃烧容积103的在火焰104之外的区域可能是相对非导电的。因此，在有火焰104存在时，标称电场204可以被表示成将火焰104中的带负电荷的物质向着靠近电极106的火焰体积吸引，同时将火焰104中的带正电荷的物质向着靠近电极108的火焰104的体积吸引。

忽略其他的影响，向着靠近电极108的火焰104的部分吸引带正电的物质可趋于增加电极108附近的火焰104的质量密度。还需要了解的是对火焰施加电场能提高燃烧的速度和完全性。

图2B是根据实施方式的至少瞬间在第二时间在电极108和电极110之间形成的标称电场208的描绘图206。电场208被描绘成使电极108保持在正电位而电极110保持在负电位，以致燃烧容积103中的带负电荷的物质趋于流动远离电极110并流向电极108；以及，燃烧容积103中的带正电的物质趋于流动远离电极108并流向电极110。

和图2A的描述类似，燃烧容积103中的火焰104中的带正电的物质可以向着靠近电极110的火焰体积被吸引，同时在火焰104内的带负电荷的物质可以向着靠近电极108的火焰体积被吸引。这可趋于增加电极108和/或电极110附近的火焰104的质量密度。

如果在图2A中的电场配置202施加之后不久，施加图2B中的电场配置206，那么从靠近电极108的火焰104的区域到靠近电极110的火焰区域的较高质量密度的带正电荷的物质的移动，可能会造成火焰104内的至少带正电荷的物质的顺时针旋转，同时还伴有燃烧的加速。如果带正电荷的物质的相对丰度、相对质量、和/或相对漂移速度大于带负电荷的物质的同种值，那么以相对较快的连续性施加电场配置202和电场配置206可能会导致火焰104在顺时针方向上的净旋转或净涡流。可选择地，如果带负电荷的物质的相对丰度、相对质量、和/或相对漂移速度大于带正电荷的物质的同种值，那么以相对较快的连续性施加电场配置202和电场配置206可能会导致火焰104在逆时针方向上的净旋转或净涡流。

图2C是根据实施方式的至少瞬间在第三时间在电极110和电极106之间形成的电场212的描绘图210。电场212被描绘成使电极110保持在正电位而电极106保持在负电位。作为响应，燃烧容积103中的带负电荷的物质趋于流动远离电极106并流向电极110；并且燃烧容积103中的带正电的物质趋于流动远离电极110并流向电极106。

和图2A以及图2B的描述类似，燃烧容积103内的火焰104中的带正电的物质可以向着靠近电极106的火焰体积被吸引，而火焰104中的带负电荷的物质可以向着靠近电极110的火焰体积被吸引。根据带正电荷的物质和带负电荷的物质的相对丰度、相对质量和相对漂移速度，这可能会增加电极106和/或电极110附近的火焰104的质量密度。如果在施加图2B中的电场配置206之后不久施加图2C中的电场配置210，那么从靠近电极110的火焰104的区域到靠近电极106的火焰区域的较高质量密度的移动，可能会产生火焰104中的带正电的物质的顺时针旋转和带负电的物质的逆时针旋转，并伴有燃烧的加速。根据带正电的物质和带负电的物质的相对质量、相对丰度和相对漂移速度，这可能会产生顺时针或逆时针涡流。

根据实施方式，例如，当物质的场反应运动被带正电荷的物质支配时，按顺序重复施加标称电场204、208、212可能会加速火焰104从而在火焰中产生顺时针涡流或旋涡效应。这样的按顺序施加电场可能还会将反应物暴露给流动的互补反应物流，并且增加反应物之间碰撞的可能性从而减少反应动力学中与扩散有关的限制。减少的扩散限制可趋于提高反应速度，从而提高了放热输出，因此进一步提高了反应速度。更高的温度和更快的反应速度可趋于推动火焰反应加快完成以提高离开燃烧容积103的二氧化碳（CO₂）相对于比如一氧化碳（CO）、未燃烧的燃料等其他部分反应产物的比例。因此，最终的反应程度越高越能提供更高的热量输出和/或对于给定的热量输出减少更多的燃料消耗。

根据另一个实施方式，例如，当物质的场反应运动被带负电荷的物质支配时，标称电场204、208、212的顺序重复施加可趋于加速火焰104以在火焰中产生逆时针涡流或旋涡效应。

虽然图1和图2A-2C中的电极配置和电场顺序被示出为使用三个电极106、108、110和三个电场轴204、208、212的相对简单的结构的实施方式，但是对于一些实施方式和一些应用，其他的配置可能更优选。例如，可能在多于两个的电极之间同时存在电场。电极的数目可被显著增加。电场切换的时序可以被改变、可以被变成非固定间隔、可以被变成可变电位、可以通过反馈控制来通知等等。电极配置可以被显著地改变，比如被集成到燃烧室的壁、被放置在燃烧室的壁后等等。此外，电极可以被放置成使电场角度在多于一个平面中变化，比如通过将一些电极放置在离燃烧器喷嘴相对较近的地方而另一些电极放置在离燃烧器喷嘴相对较远的地方的方式。在其他实施方式中，给定的电极可能被限制成一种状态（比如带正电的状态或带负电的状态）外加不带电的状态。在其他实施方式中，所有电极可被限制成一种状态（比如带正电的状态或带负电的状态）外加不带电的状态。

图3是根据一个实施方式的被配置成提供在整个燃烧容积内的时变电场的系统301的方框图。电子控制器302被配置成产生用于驱动多个电极106、108以及110的多个时变波形。这些波形至少可以部分地由构成控制器302的一部分的序列发生器（未示出）产生。序列发生器可以由软件算法、状态机等等构成，它可以被可操作地耦合到输出节点306。波形经一个或多个信号线306被传送至放大器304。放大器304把波形放大到用来通过相应的电极引线112、114、以及116向电极106、108、以及110供电的相应电压。

根据实施方式，波形可以由控制器302以恒定的频率产生。根据实施方式，所述恒定的频率可以是固定的频率或可选择的频率。根据另一个实施方式，波形可以以非恒定的频率产生。例如，非恒定的周期或周期的一段可以帮助提供扩频场序列，并且可以帮助避免谐振状态或其他的干扰问题。

根据示例性实施方式，电极驱动波形可以在大约1kHz产生。根据另一个实施方式，电极驱动波形可以用对应于约10kHz的周期产生。根据另一个实施方式，电极驱动波形可以用大约20kHz的频率产生。根据示例性实施方式，放大器304可以驱动电极106、108、以及110到大约900伏。根据另一个实施方式，放大器304可以驱动电极106、108、以及110到大约+450伏和-450伏。如在其他地方提到的，周期的部分可以包括断开电极106、108、以及110中的一个或多个的电路以让它的电压“悬空”。

根据一些实施方式，可能需要设置或改变电极106、108、110的电场频率和/或电压；和/或提供比如安全联锁、或与火焰有关的测量、或与电场有关的测量、或与其他参数有关的测量的传感器反馈。图4是被配置成接收或传送至少一个燃烧参数或电场参数和/或至少一个传感器输入的系统401的方框图。根据另一个实施方式，系统401可响应性地提供在燃烧容积内的在电极106、108、110之间的时变电场，该时变电场随着至少一个燃烧参数和/或至少一个传感器输入而变化。例如，电场状态的调制频率和/或电极电压可随燃料输送速度、需要的能量输出速度、或其他需要的操作参数而变化。

控制器302可以比如通过数据通信总线406被可操作地耦合到参数通信模块402和传感器输入模块404中的一个或多个。参数通信模块402可以提供用于更新由控制器302使用的软件、固件等等的设备。这些更新可能包括比如能通过建模确定的、能通过以前的系统测量获知的查找表更新和/或算法更新等。参数通信模块402还能被用来实质上实时地向控制器302传送操作参数。参数通信模块402还能被用于从控制器302向外部系统（未示出）传送操作状态、故障情况、固件或软件版本、传感器数值等等。

传感器输入模块404能通过数据通信总线406向控制器302提供感测的数值。从传感器输入模块404接收到的感测数值可能包括没有被外部系统感测到的参数，因此不能通过参数通信模块402得到。可选择地，从传感器输入模块404接收到的感测数值可能包括也从外部系统通过参数通信模块402报告的参数。

比如燃料流速度、烟道气体温度、烟道气体光密度、燃烧容积温度、燃烧容积亮度、燃烧容积离子化度、一个或多个电极附近的离子化度、燃烧容积打开、燃烧容积保持锁定、电气故障等等参数可从参数通信模块402、传感器输入模块404、和/或经由通过放大器304的反馈传送到控制器302。

电极106、108、110的电压驱动在安全条件状态达到和/或通过参数通信模块402接收到手动关闭命令时能被切断。同样地，系统401中的故障状态能被传送到外部系统以迫使燃料关闭或进入安全状态。

控制器响应于接收到的参数、反馈、和感测数值（共同称为“参数”）可确定用来驱动电极106、108、110的波形。例如，这些参数能被可选择地组合、比较、微分、积分等等。这些参数或这些参数的组合能被输入到比如算法计算、表查找、比例积分微分（PID）控制算法、模糊逻辑、或其他机制的控制算法以确定波形参数。所确定的波形参数可能包括，例如，电极106、108、110的选择、电极106、108、110的顺序、波形的频率或周期、电极106、108、110的电压等等。

例如，这些参数能根据对响应变量的优化来确定，以用来比如最大化来自燃烧容积的热量输出，最大化燃烧容积中的反应程度，最大化来自燃烧容积的烟道清洁度，最小化来自燃烧容积的污染物输出，最大化燃烧容积的温度，满足燃烧容积中的目标温度，最小化来自燃烧容积中的火焰的发光输出，获得燃烧容积中的火焰的希望的闪烁，最大化来自燃烧容积中的火焰的发光输出，最大化燃料效率，最大化功率输出，补偿维护问题，最大化系统寿命，补偿燃料变化，补偿燃料来源等等。

根据实施方式，由控制器302产生的波形能通过一个或多个专用的波形传输节点306被传送到放大器304。可选择地，波形能通过数据总线406被传送。放大器304能通过专用节点306提供状态、同步、故障或其他反馈，或者能可选择地通过数据总线406向控制器302和/或参数通信模块402传送状态。

虽然图3和图4中的控制器302和放大器304被图示为分离的模块，但是它们能被集成在一起。类似地，参数通信模块402和/或传感器输入模块404能与控制器302和/或放大器304集成在一起。

根据实施方式，图5以时序图501的形式示出了一组示例性波形，其示出了分别用来控制电极106、108、110的调制的波形502、504、506。波形502、504以及506中的每一个被示出为沿着表示时间的水平轴与另一个波形对齐，每个都被示出为在高电压V_H、接地状态0、以及低电压V_L之间变化。根据实施方式，波形502、504、506分别对应被传送到电极106、108以及110的供电模式。

电压V_H、0和V_L能表示从控制器302通过放大器驱动线传送到放大器304的相对低电压。类似地，电压V_H、0和V_L能表示由放大器304通过相应的电极驱动线112、114、116传送到各个电极106、108、110的相对大电压。波形502、504、506能被以周期为P的周期性模式重复性地提供。在周期P的第一部分508，波形502将电极106驱动到高电压而波形504将电极108驱动到低电压，并且波形506将电极110驱动到中间电压。可选择地，波形506的部分508（以及其他波形502、504中相应的中间状态）能表示断开电极驱动以使电极电位悬空。

波形部分508对应图2A中示出的电场状态202。也就是V_H被施加到电极106而V_L被施加到电极108以在电极106和电极108之间形成理想的电场204。电极110被允许悬空或保持在中间电位以便在它和其他电极之间产生减弱的电场或实质上没有电场。

在周期P的第二部分510期间，波形502表示电极106被保持断开以“悬空”或可选择地被驱动至中间电压，而波形504将电极108驱动到高电压V_H且波形506将电极110驱动到低电压V_L。波形部分510对应图2B中示出的电场状态206。也就是V_H被施加到电极108而V_L被施加到电极110以在电极108和电极110之间形成理想的电场208。电极106被允许悬空或保持在中间电位以便在它和其他电极之间产生减弱的电场或实质上没有电场。

在周期P的第三部分512期间，波形504表示电极108被保持断开以“悬空”或可选择地被驱动至中间电压，而波形506将电极110驱动到高电压V_H且波形502将电极106驱动到低电压V_L。波形部分512对应图2C中示出的电场状态210。也就是V_H被施加到电极110而V_L被施加到电极106以在电极110和电极106之间形成理想的电场212。电极108被允许悬空或保持在中间电位以便在它和其他电极之间产生减弱的电场或实质上没有电场。在进行到下一部分508时，重复该周期模式。

虽然时序图501中的波形502、504以及506表示周期P的每一个部分508、510以及512中的持续时间实质上相等，但是该周期能被稍微改变或调整比如以减少谐振效应、适应燃烧容积103的几何形状的变化等。另外地或可选择地，周期P的持续时间能被改变。类似地，虽然电压电平V_H、0和V_L以彼此实质上相等的方式示出，但是它们也能在电极到电极之间、周期部分到周期部分之间、和/或周期到周期之间改变。

回到图5中的波形501，可以看到在周期部分508的第一时间点，在对应波形502的电极和对应波形504的电极之间存在电位差和相应的电场。这是因为波形502已经将对应的电极驱动至相对的高电位且波形504已经将对应的电极驱动至相对的低电位。与此同时，因为波形506已经将对应电极的电位驱动至中间电位或已经使电路断开以使电极悬空，所以在对应波形502的电极和对应波形506的电极之间形成减弱的电场或实质上没有电场形成。类似地，在对应周期部分512的第二时间，在对应波形502的电极和对应波形506的电极之间存在电位差和相应的电场，但是在对应波形502的电极和对应波形504的电极之间存在减小的电位差和减弱的电场，或者实质上没有电位差或电场。

虽然波形502、504以及506以理想方波的形式被示出，但是波形502、504以及506的形状可以被改变。例如，上升沿和下降沿能表现为电压过冲和电压欠冲；比如通过使用实质上恒定的dI/dt电路（可选地带有加速度），能使上升沿和下降沿不太陡峭地过渡；或者上述波形能用其他的方法被修改，比如通过运用正弦函数等方法。

图6是图示根据另一个实施方式的用来控制电极调制的波形602、604、606的图601。例如，波形602、604以及606能从图5中的对应波形502、504、506通过驱动方波通过R/C滤波器（比如驱动方波通过特性阻抗）的方式产生。可选择地，波形602、604以及606能被数字合成、能被调谐正弦函数产生器驱动等等。

虽然周期部分508、510以及512可能准确对应或可能不准确对应图5中的相应部分，但是它们能被大体上视为将电极106、108以及110驱动到如图2A-2C所示的相应状态。周期P能由所示的过零点方便地确定，或者能由图5中示出的相应位置计算得出。

需要了解的是，当比如602、604、606的波形驱动相应的电极106、108、110时，图2A-2C中的理想电场204、208、212可能不能接近地表示当使用比如图5中的502、504、506的波形驱动相应的电极时的实际电场。例如，在周期部分508的开始，波形602从中间电压0斜着上升至高电压V_H而波形604从中间电压0斜着下降至低电压V_L，并且波形606从高电压V_H斜着下降至中间电压0。因此，在周期部分508的开始，图2C中的电场212“渐变”成图2A中的电场204。在周期部分508的结束，波形604斜着上升至高电压而波形606继续下降，并且波形602从它的最大值开始下降。这能使电场204向着配置206渐变，同时由于在电极106和电极110之间存在电位，出现了较小的反符号场212。

回到图6中的波形601，可以看到，在第一时间点608，在对应波形602的电极和对应波形604的电极之间存在电位差和相应的电场。这是因为波形602已经将相应的电极驱动到相对高电位而波形604已经将相应的电极驱动到相对低电位。与此同时，因为波形602和波形606瞬间处在同一电位，所以在对应波形602的电极和对应波形606的电极之间实质上没有电场形成。类似地，在第二时间点610，在对应波形602的电极和对应波形606的电极之间存在电位差和相应的电场，但是在对应波形602的电极和对应波形604的电极之间没有电位差或电场。

图7是图示根据另一个实施方式的用来控制各个电极106、108、110的调制的波形702、704、706的图701。波形702的周期P起始于在部分708期间的相对高电压V_H，该相对高电压对应在电极106的相对高电压。并且在部分708期间，波形704的周期P起始于相对低电压V_L，该相对低电压对应在电极108的相对低电压；以及波形706对应在电极110的断开状态。波形部分708能被称为第一脉冲期间。

在第一脉冲期间708，被驱动的燃烧容积103中的电场配置可对应图2A中示出的配置202。如之前描述的，配置202的标称电场204可趋于将带正电荷的物质向着电极108吸引而将带负电荷的物质向着电极106吸引。

在第一脉冲期间708之后，波形702和波形704驱动相应的电极106和电极108断开而波形706保持在电极110的开路状态。在周期P的部分710期间，电极106、108以及110被保持断开并且因此实质上没有电场被施加在火焰或燃烧容积上。然而在前面的第一脉冲期间708，传到带电物质上的惯性能在非脉冲期间710保持，并且这些带电物质能因此保持运动。这种运动能在名义上沿着在第一脉冲期间708结束时存在的轨迹，该轨迹通过和其他粒子后续的碰撞和相互作用而改变。

在周期P的第一非脉冲部分710的结尾，第二脉冲期间712开始。在第二脉冲期间712，波形702提供在电极106的断电状态而波形704达到相对高电压以将电极108驱动至相应的相对高电压，并且波形706达到相对低电压以将电极110驱动至相应的相对低电压。因此在第二脉冲期间712，产生了图2B中的电场配置206。在这之后又接着波形710的非脉冲部分，在此期间，惯性效应能趋于维持在第二脉冲期间712结束时存在的带电物质的速度和轨迹，该速度和轨迹通过和其他粒子的后续的碰撞和相互作用而改变。

在第二非脉冲部分710的结尾，第三脉冲期间714开始，例如，其能产生类似于图2C中示出的电场配置210的电场配置。在第三脉冲期间714结束后，系统可能又进入到非脉冲部分710。这可在多个期间上持续，诸如以提供周期P部分708、710、712、710、714、710等的准稳定状态的重复。

根据实施方式，脉冲期间和非脉冲部分能提供大约25%占空比的脉冲序列，如所图示的，其中大约25%的时间在两个电极之间存在产生的电场而另外75%的时间没有施加电场。占空比能根据燃烧容积103中的条件变化，比如可以通过如图3和图4所示的反馈电路和/或参数输入电路确定。

根据另外一个实施方式，脉冲期间708、712以及714可能每个具有约10微秒的持续时间而周期P可能约为1kHz频率（等于1毫秒的周期）。因此，非脉冲部分可能每个约为323.333微秒。

特定的带电物质的相对电荷质量比能影响其对断续的脉冲期间708、712、714和其间的非脉冲部分710的响应。为了实现燃烧容积103中的一种或多种带电物质的期望的运动，占空比可以被改变。根据实施方式，被优化以顺时针传送带正电荷的物质的波形702、704、706可和被优化以顺时针或逆时针传送另一种带正电荷的物质或带负电荷的物质的其他波形（未示出）叠加，从而产生第三组波形（未示出），其实现了在期望的相应路径中传送不同的物质。

例如，重的带正电的物质可能需要相对较高的50%的占空比以使用相对较长的期间沿着选定的路径移动。轻的带负电的物质可能需要相对较低的占空比以使用相对较短的期间沿着选定的路径移动。这两种波形能被叠加以相互平行（二者都是顺时针或逆时针）或者相互反平行（一个是顺时针而另一个是逆时针）地驱动带正电的物质和带负电的物质。

虽然电极106、108、110在上面的图中被示出为连接任意两个电极的直线穿过中间的火焰的体积的布置，其他的布置也在本发明的范围之内。虽然上面的实施方式中示出的电极106、108、110的数量是三个，但是其他大于三个的数量也同样落在本发明的范围之内。虽然电极106、108、110被表示成平行于燃烧器喷嘴的主轴布置的圆筒形的导体，其他的布置可落在本发明的范围之内。

例如，在另一个实施方式中，多个电极实质上被布置在立方体的角处，并且包括具有相交于立方体的中心的垂直轴线的有限大小的板，该立方体的中心对应被支持的火焰104。在其他实施方式中（未示出），电极可包括布置在立方体的表面中心、布置在测地球体的表面角落或布置在测地球体的表面中心等位置的表面或具有一定形状的点。

本领域的技术人员需要了解的是，前面具体的示例性过程和/或设备和/或技术是本文其他地方讲解的更多通用过程和/或设备和/或技术的代表，比如在本申请随附的权利要求中讲解的，以及在其他地方讲解的。

虽然已经在此公开了各个方面和各种实施方式，但是可以考虑其他的方面和实施方式。在此公开的各个方面和各种实施方式用于说明目的并且不旨在进行限制，而真正的范围和精神由下面的权利要求指示。

Claims

1.一种用于向燃烧容积施加电场的装置，包括：

被配置成靠近燃烧容积的至少三个电极；以及

控制器，其被配置成使用相应的时变电压波形驱动所述至少三个电极中的每一个，以产生在所述燃烧容积附近的周期性变化的电场轴；其中所述相应的时变电压波形中的每一个具有与另一个时变电压波形相同的周期以及与所述另一个时变电压波形不同的相应的相位；并且其中

所述控制器被配置成驱动所述电极产生在所述燃烧容积附近以及穿过布置在所述燃烧容积内的火焰的旋转电场。

2.如权利要求1所述的装置，还包括：

被配置成支撑在所述燃烧容积内的火焰的燃烧器。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述燃烧器被配置为所述电极中的一个。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述至少三个电极被布置在所述燃烧容积内。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述至少三个电极被配置成选择性地在相应的电极对之间产生电场。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述至少三个电极被配置成选择性地产生沿着相应的电极对之间的轴线并且通过所述燃烧容积内的火焰的电场。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器包括至少三个驱动器，每个驱动器被耦合为向所述电极中的相应的一个提供时变电压。

8.如权利要求1所述的装置，其中在任一时间，所述电极中的至少一个具有等于零的时变电压。

9.如权利要求1所述的装置，还包括：

可操作地耦合到所述控制器的参数通信模块或传感器模块，所述参数通信模块或传感器模块被配置成向所述控制器提供与燃烧室的特性对应的数据或信号。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述燃烧室的特性包括选自由以下项构成的组的至少一个：燃料流速度、烟道气体温度、烟道气体光密度、燃烧容积温度、燃烧容积亮度、燃烧容积离子化度、一个或多个电极附近的离子化度、燃烧容积打开、燃烧容积保持锁定以及电气故障。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述控制器被配置成在所述控制器接收到对应由安全状况、手动关闭命令、燃烧容积打开状态、燃烧容积保持锁定状态、或电气故障构成的组中的一个或多个的数据或信号时，关闭对所述电极的电压驱动。

12.如权利要求9所述的装置，其中所述控制器被配置成在所述控制器接收到对应由安全状况、手动关闭命令、燃烧容积打开状态、燃烧容积保持锁定状态、或电气故障构成的组中的一个或多个的数据或信号时，将故障状态传送到外部系统。

13.如权利要求9所述的装置，其中所述控制器被配置成响应于所述数据或信号来确定对应于所述相应的波形的一个或多个参数。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述控制器被配置成使用选自由以下项构成的组的至少一个来确定所述一个或多个参数：对所述数据或信号的值进行组合、对所述数据或信号的值进行比较、对所述数据或信号的值进行微分、对所述数据或信号的值进行积分、响应于所述数据或信号的值执行算法计算、执行对应所述数据或信号的表查找、使用所述数据或信号运行比例积分微分PID控制算法、以及使用所述数据或信号作为输入来执行模糊逻辑。

15.如权利要求13所述的装置，其中所述一个或多个参数包括选自由以下项构成的组的一个或多个：电极的选择、电极的顺序、波形频率或周期、波形占空比以及电极电压。

16.如权利要求13所述的装置，其中所述一个或多个参数响应于选自由以下项构成的组的至少一个准则被选择：烟道清洁度、燃料效率、功率输出、维护问题补偿、系统寿命最大化、燃料变化补偿以及燃料来源补偿。

17.一种用于向燃烧容积施加旋转电场的方法，包括：

在第一调制时间，在所述燃烧容积中的第一电极和第二电极之间形成至少一个第一电场；以及

在第二调制时间，在所述燃烧容积中的所述第一电极和第三电极之间形成至少一个第二电场；

其中形成至少一个第一电场和形成至少一个第二电场的步骤在所述燃烧容积附近构成电场旋转；并且

其中所述旋转电场穿过所述燃烧容积内的任何火焰。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极中的一个包括燃烧器。

19.如权利要求17所述的方法，其中形成至少一个第一电场和至少一个第二电场被重复且周期性地执行。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述周期是恒定的。

21.如权利要求19所述的方法，其中所述周期是变化的。

22.如权利要求19所述的方法，其中所述周期大约是200微秒或更短。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述周期大约是70微秒或更短。

24.如权利要求19所述的方法，还包括：

选择所述第一电场和所述第二电场的重复和周期形成所对应的一个或多个参数。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述一个或多个参数包括下列项中的至少一个：电极电压、电极选择、重复和周期性形成电场的周期、重复和周期性形成电场的频率、以及与子周期相比的电场形成的占空比。

26.如权利要求24所述的方法，其中所述一个或多个参数是根据选自由以下项构成的组的至少一项选择的：最大化来自所述燃烧容积的热量输出、最大化所述燃烧容积中的反应程度、最大化来自所述燃烧容积的烟道清洁度、最小化来自所述燃烧容积的污染物输出、最大化所述燃烧容积的温度、最小化来自所述燃烧容积中的火焰的发光输出、最大化来自所述燃烧容积中的火焰的发光输出、最大化燃料效率、最大化功率输出、补偿维护问题、最大化系统寿命、补偿燃料变化、补偿燃料来源、最小化谐振效应以及适应燃烧容积几何形状的变化。

27.如权利要求19所述的方法，还包括：

根据至少两个输入参数使用选自由以下项构成的组的至少一个来计算所述周期和电场强度中的至少一个：对输入参数进行组合、对输入参数进行比较、对输入参数进行微分、对输入参数进行积分、执行算法计算、执行表查找、执行比例积分微分PID控制算法以及执行模糊逻辑。

28.如权利要求17所述的方法，其中在所述第一电极和所述第二电极之间有减弱的电场形成或者没有电场形成的同时，所述至少一个第二电场在所述第一电极和所述第三电极之间形成。

29.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一个第一电场和所述至少一个第二电场彼此之间呈除了0°或180°以外的一个角度。

30.如权利要求17所述的方法，还包括：

在第三调制时间，在所述第二电极和所述第三电极之间形成至少一个第三电场。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述第一电场、所述第二电场或所述第三电场中没有一个和所述第一电场、所述第二电场和所述第三电场中的其他任何一个平行或反平行。

32.如权利要求17所述的方法，其中所述燃烧容积包括连续燃烧的火焰。

33.如权利要求32所述的方法，其中所述第一电场和所述第二电场被布置成至少部分地通过所述火焰。

34.如权利要求32所述的方法，其中所述第一电场和所述第二电场通过被所述火焰产生的离子物质占据的体积。

35.一种用来控制燃烧容积中的电场的装置，包括：

电子控制器，其可操作以在至少一个输出端子输出对应于用于靠近燃烧器的至少一个电极的电压调制模式的调制波形，并且在至少一个第二端子上接收安全信号；以及

所述电子控制器中的安全电路，其可操作以响应于所述至少一个第二端子上的状况来将所述调制波形驱动到安全状态。

36.如权利要求35所述的装置，其中所述安全状态对应所述至少一个第二端子上的接地电压。

37.如权利要求35所述的装置，其中所述至少一个输出端子被配置成将低电压调制信号传送到放大器。

38.如权利要求35所述的装置，其中所述至少一个输出端子被配置成传送来自放大器的高电压调制信号。

39.如权利要求35所述的装置，还包括被耦合到所述至少一个第二端子的电路，并且耦合到所述至少一个第二端子的所述电路被配置成探测人们可能接触到所述至少一个电极上的电压的时间。

40.如权利要求35所述的装置，其中所述电子控制器还被配置成在所述安全电路被激活时，向监控系统发送故障信号。

41.如权利要求35所述的装置，其中所述电子控制器还包括：

被配置成驱动所述调制波形和接收所述安全信号的状态机。

42.如权利要求35所述的装置，其中所述安全电路包括被配置成运行计算机指令的微计算机的至少多个部分。

43.如权利要求35所述的装置，其中所述至少一个输出端子和相应的至少一个电极包括三个或更多的输出端子和相应的三个或更多的电极。

44.如权利要求35所述的装置，其中所述电子控制器还包括：

一个或多个信号端子、数据端子、或信号和数据端子，其被配置成接收对应于所述燃烧容积中的燃烧状态的感测值；以及

波形逻辑电路，其被配置成响应于所述感测值，确定对应于所述调制波形的一个或多个参数。

45.如权利要求35所述的装置，其中所述电子控制器还包括：

一个或多个信号端子、数据端子、或信号和数据端子，其被配置成接收输入参数；以及

波形逻辑电路，其被配置成响应于所述输入参数，确定对应于所述调制波形的一个或多个参数。