CN104838208A

CN104838208A - 带有栅切换电极的燃烧系统

Info

Publication number: CN104838208A
Application number: CN201380065033.8A
Authority: CN
Inventors: 伊戈·A·克里克塔弗维奇; 克里斯多佛·A·威克洛夫
Original assignee: Clearsign Combustion Corp
Current assignee: Clearsign Technologies Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-08-12
Also published as: US10060619B2; US20150345781A1; WO2014105990A1; US20180340685A1; US10627106B2

Abstract

可向燃烧反应施加高电压以增强或换言之控制所述燃烧反应。所述高电压可由介于高电压电极组件和所述燃烧反应之间的格栅电极切换为连通和断开。

Description

带有栅切换电极的燃烧系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2012年12月26日提交的、名称为“COMBUSTIONSYSTEM WITH A GRID SWITCHED ELECTRODE(带有格栅切换电极的燃烧系统)”的美国临时专利申请第61/745,863号的优先权，其在与本公开内容不相抵触的情况下以引用方式并入本申请。

发明内容

已经发现的是，向燃烧反应切换施加或脉冲施加电场，施加至电极的电压波形的快速上升沿和/或快速下降沿可增强所需的燃烧反应响应。而且，切换高电压通常对电路设计设置限制。

根据一个实施例，切换电极系统被配置为向燃烧反应施加电能。一种电极组件包括第一电极，其被配置为带有第一电压。格栅电极被配置为可选择地切换到屏蔽电压(如地)，或带有与所述第一电压基本上相同的通行电压，或带有在所述第一电压和地之间的电压。所述格栅电极设置于第一电极组件和燃烧反应之间，且当所述格栅电极带有通行电压时，其被配置为使得所述燃烧反应从所述第一电极接收电能。当所述格栅电极被切换至屏蔽电压时，其被配置为将燃烧反应从第一电极带有的电压屏蔽。相比用于在高电压源和所述第一电极之间切换高电压的切换硬件而言，所述格栅电极在更快的切换和/或更低成本的切换硬件方面经得起考验。当所述格栅电极从屏蔽电压断开时，所述通行电压可为格栅电极浮动至的电压。所述屏蔽电压可为电学接地。

根据一个实施例，一种操作燃烧系统的方法包括：用火焰稳定器将燃烧反应支撑在燃烧空间中；将第一电极组件支撑在所述燃烧空间中；以及将格栅电极支撑在所述燃烧空间中，位于所述第一电极组件和所述燃烧反应之间。向所述第一电极组件施加第一电压。向所述格栅电极施加屏蔽电压，以及通过在所述格栅电极和所述燃烧反应之间维持可忽略的电场，阻止所述第一电压向所述燃烧反应施加电能。例如，如果燃烧反应连接至电学接地，则屏蔽电压也可为电学接地。为了用第一电压向燃烧反应施加电能，屏蔽电压被停止施加到格栅电极，并且通过允许在格栅电极和燃烧反应之间形成电场，从而允许第一电压向燃烧反应施加电能。例如，停止向格栅电极施加屏蔽电压可包括允许格栅电极电浮动至在第一电压和燃烧反应电势之间的一电压，或基本上电浮动至第一电压。在一个实施例中，施加至格栅电极的电压被由控制器操作的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)切换。例如，该控制器可包括被配置为以选定的频率切换IGBT的计时器。

附图说明

图1A为根据一个实施例被配置为向燃烧反应施加电能的一种燃烧系统的示意图。

图1B为示出根据一个实施例被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统的构造的示意图。

图1C示出了根据一个实施例连接成将屏蔽电压V_S传输至格栅电极的电气开关的构造。

图1D示出了根据一个实施例连接成将通行电压V_P从通行电压节点传输至格栅电极的电气开关的构造。

图2为根据一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统包括第一电极组件和格栅电极。

图3为根据另一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统包括第一电极组件和格栅电极。

图4为根据另一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统包括第一电极组件和格栅电极。

图5为根据另一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统包括第一电极组件和格栅电极。

图6为根据另一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统包括第一电极组件和格栅电极。

图7A为根据一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统被配置为向燃烧反应施加交变极性电能。

图7B为根据一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统被配置为向燃烧反应施加交变极性电能。

图8为根据一个实施例的操作燃烧系统的方法的流程图。

图9为根据一个实施例的燃烧系统示意图，该燃烧系统被配置为从包括格栅电极的切换电极系统接收电能。

图10为根据一个实施例的燃烧系统简化示意图，该燃烧系统包括带有平滑(非离子发射)电极的被配置为由格栅电极切换的切换电极系统。

图11为根据一个实施例的燃烧系统简化示意图，该燃烧系统包括带有尖锐(电晕)电极的被配置为由格栅电极切换的切换电极系统。

图12A为根据一个实施例的图9的电极和燃烧反应的侧面剖视图。

图12B为根据一个实施例的图9的电极和燃烧反应的剖视图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参照构成本文一部分的附图。除非在上下文中另外指明，否则在附图中类似的标记通常表示类似的部件。在不脱离本发明的精神或范围的前提下，可采用其他实施例和/或可进行其他更改。

图1A为根据一个实施例的燃烧系统100的示意图，该系统被配置为向燃烧反应104施加电能120。燃烧反应100包括设置于燃烧空间(combustion volume)106中的火焰稳定器(flame holder)102，燃烧空间106至少部分地由燃烧空间壁107限定，并被配置为容纳燃烧反应104。电源108包括第一输出节点110，该第一输出节点110被配置为带有第一电压V₁。第一电极组件112包括第一电极114，该第一电极114可操作地连接到电源108的第一输出节点110并被配置为带有第一电压V₁。格栅电极116设置在第一电极组件112和火焰稳定器102之间。电气开关118可操作地连接至格栅电极116。电气开关118被配置为可选择地将格栅电极116连接至屏蔽电压(shield voltage)V_S。屏蔽电压V_S被选择为阻止燃烧反应104从第一电极组件112接收电能120。

在图1A中，电能120被示为带电粒子120'的流。发明人设想出了将电能120施加至燃烧反应104的一种或多种形式。在图示的实施例100中，第一电极114被配置为电晕电极，该电晕电极被配置为发射带电粒子120'。在第二实施例中，例如，第一电极114为场电极，该场电极被配置为带有第一电压V₁，以创建跨越燃烧空间106的一部分的电场。在该第二实施例中，将格栅电极116连接至屏蔽电压V_S使得在第一电极114和格栅电极116之间形成第一电场(对应于第一电极114和格栅电极116之间距离D_G上的电压差V₁-V_S)；以及第二电场(对应于格栅电极116和燃烧反应104的导电边缘之间距离D_f上的格栅电极116和燃烧反应104之间的电压差V_S–V_f，约等于(V_S–V_f)/D_f)。若屏蔽电压V_S被选择为基本上等于(例如，与其导通)燃烧反应电压(例如，地电压122)，则当将屏蔽电压V_S施加至格栅电极116时，第二电场强度基本上等于零，且第一电极组件112不能将电能120施加至燃烧反应104。

当通过电气开关118连接至屏蔽电压V_S时，格栅电极116可被配置为通过与第一电极组件112完成一个回路而阻止燃烧反应104从第一电极组件112接收电能120。在其它实施例中，当通过电气开关118连接至屏蔽电压V_S时，格栅电极116可被配置为通过与燃烧反应104或火焰稳定器102建立一基本上为零的电场而阻止燃烧反应104从第一电极组件112接收电能120。

除此之外或作为另外一种选择，当通过电气开关118连接至屏蔽电压V_S时，格栅电极116可被配置为通过与第一电极组件112建立一基本上等于第一电极组件112和燃烧反应104或火焰稳定器102之间的电势差的电势差而阻止燃烧反应104从第一电极组件112接收电能120。

参照图1A，屏蔽电压V_S可与第一电压V₁不同。屏蔽电压V_S可为电压地(voltage ground)。

第一电压V₁可大于或等于1000V量级。在另一个实施例中，第一电压V₁为约10000V或更高。在另一个实施例中，第一电压V₁可为约20000V或更高。

第一电极组件112可包括可操作地连接至电源108的相应的第一节点110和第二节点126的第一电极114和反电极124。电源108可被配置为在第一和第二节点110、126上输出选择为使得离子风120由第一电极114向格栅电极116流动的相应的电压V₁、V_S。

在另一个实施例中，第一电极组件112可包括第一电极114和反电极124。第一电极114可为电晕电极。电源108可被配置为在第一节点110上输出一电压，该节点以电晕起始电压或高于电晕起始电压连接至第一电极114。

Peek定律预测电晕起始电压随电晕电极的物理性质、几何形状以及反电极124的几何形状而变化。

Peek定律可由下式描述：

e_{v} = m_{v} g_{v} \partial r l n (\frac{S}{r}) .

Peek定律中的符号e_v可表示“电晕起始电压”(CIV)，即在电极上可引发(有时可见)电晕放电的电压差(以千伏计)。e_v的值和增益可为负相关，例如，当e_v减小时，增益可增大，而当e_v增大时，增益可减小。

Peek定律中的符号m_v和r可共同表示与电极的形状和表面几何形状相关的各种因素。符号m_v可表示能够说明电极表面粗糙度的经验的、无单位的不规则因子。例如，对于平滑抛光的电极，m_v可为1。对于粗糙、脏的或风化的电极表面，m_v可为0.98至0.93，而对于线缆，m_v可为0.87至0.83。对于线电极或末端为弯曲尖端的电极，r可表示线的半径或弯曲尖端的半径。

Peek定律中的符号S可表示电极之间的距离，例如，一个或多个电极与燃烧反应的导电等离子体和/或燃烧器或燃料源(如果接地的话)之间的距离。

Peek定律中的符号δ可表示与空气密度、压力以及温度有关的因子，其中b是以厘米汞柱表示的压力，而T是以开尔文(Kelvin)表示的温度。在标准温度和压力下，δ可为1：

\partial = \frac{3.92 b}{T}

Peek定律中的符号g_v可表示“可见电晕(visual critical)”电势梯度，其中g₀可表示“临界击穿(disruptive critical)”电势梯度，对空气而言为大约30kV/cm：

g_{v} = g_{0} \partial (1 + \frac{0.301}{\sqrt{\partial r}})

电极增益值可与m_v负相关，例如，越粗糙的电极可导致越高的电极增益值。而由Peek定律，与r的关系相比m_v可能不太清楚，实验工作已经表明越尖锐的电极可导致越高的电极增益值。

电极增益值可与b负相关，例如，越低的压力可导致越高的电极增益值。电极增益值可与T相关，例如，越高的温度可导致越高的电极增益值。电极增益值可与δ负相关，例如较低的δ可导致较高的电极增益值。电极增益值可与S负相关，例如，减小一个或多个电极与燃烧反应和/或燃烧器或燃烧流体源(如果接地的话)之间的距离，可导致较高的电极增益值。电极增益值可至少部分地由下列因素中的一个或多个决定：一个或多个电极与燃烧空间的中心的距离；一个或多个电极处的温度；一个或多个电极处的压力；和/或一个或多个电极的表面几何形状。

图1B为根据一个实施例示出燃烧系统100的一种架构100'的示意图，其被配置为向燃烧反应施加电能120。参见图1B，电气开关118可被进一步配置为选择性地将格栅电极116从屏蔽电压V_S断开。

虽然图1B将开关118示为将格栅电极116从屏蔽电压节点128断开，系统100、100'可选择性地配置为在电源108的节点130上输出一通行电压V_P，该节点130可操作地连接到格栅电极116。图1C示出体现为连接成将屏蔽电压V_S经由电源节点130传输至格栅电极的双刀双掷(DPDT)开关的电气开关118的一种构型132。或者，开关132可体现为单刀双掷(SPDT)开关。图1D示出连接成将通行电压V_P自通行电压节点133通过电源节点130传输至格栅电极116的DPDT电气开关118的构型132'。换言之，电源108可被配置为驱动格栅电极电气节点130，以使得第一电极组件112将格栅电极116提高至一通行电势，当格栅电极从屏蔽电压V_S断开时，该通行电势基本上与对应于在第一电极组件112和燃烧反应104之间形成的电场的本地电压V_P相等。

或者，可允许格栅电极116电浮动以使得格栅电极116采用第一电压V₁和燃烧反应104带有的地电压中间的一本地电压，如图1B中示出的实施例100'的示意图所示。当格栅电极116从屏蔽电压V_S断开时，格栅电极116可被配置为电浮动。

电气开关118可被进一步配置为选择性地将格栅电极116从屏蔽电压V_S断开，并将格栅电极116连接到电源108的通行电压节点133，该通行电压节点133被配置为带有选择为允许第一电极组件112向燃烧反应施加电能120的通行电压V_P。

在再一些其它的实施例中，电源108可被配置为在通行电压节点133上输出可变通行电压V_P，该可变通行电压被选择为使得第一电极组件112向燃烧反应104施加与可变通行电压V_P成比例的电能120。

电气开关118可包括机械开关、光学开关、磁开关和/或晶体管级联(transistor cascade)。电气开关118可包括绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。除此之外或作为另外一种选择，电气开关118可为电源108的一部分。

燃烧系统100可包括被配置为控制电气开关118的控制器134。控制器134可为电源108的一部分。除此之外或作为另外一种选择，控制器134可与电源108分开。

控制器134可被配置为控制电气开关118以使得第一电极组件112向燃烧反应104施加对应于具有快速上升沿和/或具有快速下降沿的电场波形的电能120。

控制器134可被配置为控制电气开关118，以使得第一电极组件112向燃烧反应104施加根据具有快速上升沿的波形和/或对应于具有快速下降沿的波形的电荷。

图2为根据一个实施例的燃烧系统200的示意图，该燃烧系统包括第一电极组件112和格栅电极116。格栅电极116可形成为具有足够大小的柱面以基本上封闭燃烧反应104免受由第一电极组件112产生的场效应或电荷。

或者，格栅电极116可采用除柱形以外的其它形状。例如，格栅电极116可为平面圆形或多边形。格栅电极116的边缘可结合以形成连续的或环绕电极，或其边缘可被截短，使得在第一电极组件112和燃烧反应104之间存在间接的“无格栅”通道。采用发射极第一电极和反电极对作为第一电极组件112可基本上将基本上由带电粒子流组成的电能120限制成相当狭窄的锥体，以使得基本上整个锥体与格栅电极116相交以用于收集或通行。

格栅电极116可包括目尺寸为约6平方毫米的金属网。例如，格栅电极116可由不锈钢丝网形成。

图3为根据一个实施例的包括钻孔金属片的格栅电极116的示意图300。格栅电极116可包括冲孔金属片。

图4为根据一个实施例的包括多孔金属网的格栅电极116的示意图400。格栅电极116可包括金属网和/或冲孔网。

图5为根据一个实施例的包括具有高空隙率的非织造金属纱的格栅电极116的示意图500。

图6为根据一个实施例的包括平行柱体的格栅电极116的示意图600。

合在一起，第一电极组件112(其可由第一电极114和反电极124形成)和格栅电极116可形成格栅电极控制的电极组件136。该格栅电极控制的电极组件136可形成为一模块，该模块被配置为作为一个单元安装或从燃烧系统100拆除。在一个实施例中，格栅电极控制的电极组件136可被配置为通过孔插入燃烧空间壁107中，并可包括被配置为从燃烧空间106的外面将格栅电极控制的电极组件136可操作地连接至燃烧空间壁107的配件138。该布置可例如允许格栅电极控制的电极组件136在最少的或无系统停机的情况下进行更换。

图7A、图7B为根据一个实施例的被配置为向燃烧反应104施加交变极性电能120a、120b的燃烧系统700、700'的示意图。燃烧系统700、700'包括被配置为支撑燃烧反应104的火焰稳定器102。第一格栅电极控制的电极组件136a被配置为选择性地由正电压V₁+向燃烧反应104施加电能120。第二格栅电极控制的电极组件136b被配置为选择性地由负电压V₁-向燃烧反应104施加电能120。

燃烧系统700、700'还可包括第一电气开关118a和第二电气开关118b，所述第一电气开关118a被配置为选择性地将第一格栅电极控制的电极组件136a的第一格栅电极116a连接至屏蔽电压V_S，而所述第二电气开关118b被配置为选择性地将第一格栅电极控制的电极组件136a的第一格栅电极116a连接至屏蔽电压V_S。

火焰稳定器102可通过高电阻704与电压地(voltage ground)绝缘。高电阻704可包括电阻器。高电阻704可凭借电绝缘体包括电阻。高电阻704可固有地为高电阻材料，而火焰稳定器102由该高电阻材料形成。参见图1，燃烧反应可通过电阻140与燃料喷嘴带有的电压隔离。

第一和第二格栅电极控制的电极组件136a、136b可被配置为交替地向燃烧反应104充电，使其带有正电压V_C+和负电压V_C-。

当如图1A和图1B所示配置时，发现开关118将格栅电极116a、116b在几(个位数)毫秒内在V_S和通行电压V_P之间切换。考虑到电能传播120a、120b延迟，发明人相信布置700、700'能够在1000Hz或更高频率下在燃烧反应104中产生方波双极性电压波形。发明人以前的工作表明在50Hz和1000Hz之间的波形频率在燃烧反应104上产生显著的效果。此外，发现尖锐波形边沿，如装置100、100'、700、700'产生的尖锐波形边沿放大该显著效果，因为较尖锐的波形边沿产生出更为显著的效果。基于靠近燃烧反应104的其它电极的布置和/或存在以及由其产生的电场，由向燃烧反应104施加周期性电压波形产生的效果包括提高的易燃性、提高的火焰稳定性、更高的火焰发射率、增加的热传递、减少的热传递以及燃烧反应104的烟灰产出减少。

关于施加的电压，发明人假定在由反电极124加速的条件下向燃烧反应104施加带电粒子流120'将在类似于范德格拉夫发生器(Van de Graffgenerator)的方式下操作，且应能够将燃烧反应104充电至电压V_C+、V_C-，其大小高于施加至第一电极组件112a、112b的电压V₁+、V₁-。至今，采用施加至被配置为电晕电极的第一电极的+40KV第一电压V₁，发明人已经在燃烧反应104中实现了+6000伏的可测量电压。发明人相信对格栅电极几何形状、反电极几何形状和材料、燃烧器绝缘以及电压探针阻抗的进一步优化将可能提高相对于第一电压V₁+、V₁-的燃烧反应电压Vc+、Vc-。

燃烧系统700、700'可包括被配置为驱动电气开关118a、118b的控制器134。控制器134可包括计时器电路。控制器134在50Hz至1000Hz之间的频率下可将电气开关118a、118b驱动至相反状态两次。

烧烧系统700、700'还可包括分别被配置为将格栅电极控制的电极组件136a、136b连接至燃烧空间壁107的模块化耦接头138a、138b。

根据一个实施例，屏蔽电压V_S可为地电压122。

第一和第二电压V₁+、V₁-可分别为+10KV和-10KV，或更大。

电气开关118a、118b可包括绝缘栅双极性晶体管(IGBTs)。两个电气开关118a、118b可被构造为两个单刀单掷(SPST)开关。两个电气开关118a、118b可设置为一个单刀双掷(SPDT)开关。

图8为根据一个实施例用于操作燃烧系统的方法800的流程图。方法800包括步骤802：采用火焰稳定器将燃烧反应支撑在燃烧空间中。在步骤804，将第一电极组件支撑在燃烧空间中。继续至步骤806：将格栅电极支撑在燃烧空间中第一电极组件和燃烧反应之间。在步骤808，向第一电极组件施加第一电压。前进至步骤810：向格栅电极施加屏蔽电压。在步骤812，通过在格栅电极和燃烧反应之间维持可忽略的电场，阻止第一电压向燃烧反应施加电能。

在决定步骤814，就是否选择由第一电压向燃烧反应施加电能作出决定。如果不选择施加电能，方法800回至步骤810。如果选择由第一电压向燃烧反应施加电能，方法前进至步骤816。

方法800还包括步骤816：停止向格栅电极施加屏蔽电压。在步骤818，通过允许在格栅电极和燃烧反应之间形成电场允许第一电压向燃烧反应施加电能。

在步骤816，停止向格栅电极施加屏蔽电压可包括向格栅电极施加通行电压，该通行电压被选择为在格栅电极和燃烧反应之间形成电场。步骤816可包括允许格栅电极电浮动至通行电压，该通行电压允许第一电压与燃烧反应形成电场。

在决定步骤820，就是否选择停止由第一电极向燃烧反应施加电能作出决定。如果选择继续施加电能，方法800回到步骤818。如果选择停止通过第一电压向燃烧反应施加电能，方法回至步骤810。

在燃烧空间中支撑第一电极组件包括支撑第一电极和支撑反电极，所述第一电极被配置为输出电晕放电，所述反电极被配置为使由电晕放电形成的带电粒子朝向格栅电极和燃烧反应加速。

在步骤804，在燃烧空间中支撑第一电极组件以及在燃烧空间中支撑格栅电极可包括支撑格栅电极控制的电极组件，所述格栅电极控制的电极组件包括第一电极组件和格栅电极。步骤804可包括采用模块化连接器将格栅电极控制的电极组件支撑在燃烧空间中，该模块化耦接头被配置成允许从燃烧空间外部作为一个单元来更换格栅电极控制的电极组件。

在步骤808，向第一电极组件施加第一电压可包括向电晕电极施加第一电压，该第一电压为电晕起始电压或高于电晕起始电压。步骤808还可包括向反电极施加加速电压以对电晕电极形成的电晕放电进行加速。

步骤808可包括向场电极施加第一电压。

方法800还可包括以例如50Hz至1000Hz之间的频率在向格栅电极施加屏蔽电压和不向格栅电极施加屏蔽电压之间切换。

图9为根据一个实施例的燃烧系统的示意图，该燃烧系统被配置为从包括格栅电极116的切换电极系统900接收电能。切换电极系统900被配置为向燃烧反应(如火焰)施加电能。第一电极组件112被配置为带有第一电压。格栅电极116被配置为可选择地切换到地电压或另一个屏蔽电压。当没有切换到地电压或另一个屏蔽电压时，格栅电极116被配置为电浮动至与第一电压基本上相同的电压或电浮动至处于第一电压和地或屏蔽电压之间的一电压。格栅电极116设置于第一电极组件112和燃烧反应104之间。格栅电极116被配置为当格栅电极116被允许电浮动时，使得燃烧反应104从第一电极组件112接收电能。格栅电极116被配置为当格栅电极116被切换至地(或另一屏蔽电压)时，将燃烧反应从第一电极组件112带有的电压屏蔽开。

在一些实施例中，格栅电极116可基本上在体积上或面上围绕第一电极组件112。在一些实施例中，第一电压可为动态的。例如，可在第一电极组件112上施加以慢速至相对较快速度上升的电压，而屏蔽电极906可有些延迟地将动态电压从燃烧反应104屏蔽开。然后，在延迟后或在第一电极组件112上感测到选用的电压后，屏蔽电极906可从地或屏蔽电压断开。根据一个实施例，该方法相比单独使第一电极组件112脉动所达成的情况可在施加到燃烧反应104的电压脉冲里提供更快的上升时间。类似地，屏蔽电极906可与去除或减小施加到第一电极组件112的电压同时(或稍微提前或滞后)切换至地或屏蔽电压。减小施加至第一电极组件112上的电压与将屏蔽电极906切换至地或屏蔽电压相结合可向燃烧反应104提供更快的下降沿。

该屏蔽电极可与施加至第一电极组件112的正和/或负电压任一者或两者一起工作。发现在10千伏和40千伏之间的第一电极电压大小采用屏蔽电极906能有效切换(从丙烷火焰屏蔽开/未屏蔽开)。有效性通过观察当第一电极组件被配置为作为操作以使带电荷的火焰弯曲的场电极时的可见火焰104行为来确定。有效性还可通过测量探针907和地之间的电流而确定。随屏蔽电极906从地断开，来自探针907的电流基本上与由第一电极组件112引起的电流(在相似的第一电压)相等。当屏蔽电极906与地导通时，来自探针907的电流下降至基本上为零。

根据一个实施例，控制器134可以可操作地连接到至少格栅电极116。控制器134可被配置为切换格栅电极116，以使切换电极系统900向燃烧反应104施加时变电能。类似地，控制器134可被配置为响应于安全性故障从燃烧反应104快速去除电能，或例如作为与燃烧器维护一起使用的停机安全装置。

电压电路910可以可操作地连接在控制器134和至少格栅电极116之间。电压电路910可被配置为向包括第一电极组件112的至少一电路施加第一电压，以及响应于来自控制器134的控制可选择地将格栅电极116切换至地。第一电压可例如为正的、负的、时变单极性的或时变双极性的。

电压电路910可包括可分离的模块，所述可分离的模块分别被配置为向包括第一电极组件112的至少一电路施加第一电压，以及可选择地将格栅电极116切换至地。除此之外或作为另外一种选择，电压电路910可包括单一电路，该单一电路包括分立的和/或一体的电气装置。电压电路910可包括高电压-电压转换电路912，该转换电路被配置为基本上将源电压914放大、增加或电荷泵浦至第一电压。电压电路910可包括电源地916。电压电路910可包括可调节开关918，该可调节开关可操作地连接在电源地916和格栅电极116之间。

根据各种实施例，可调节开关918可包括继电器、簧片开关、水银开关、磁开关、管开关、半导体开关和/或光开关。可调节开关918可包括IGBT装置、FET装置和/或MOSFET装置。可调节开关918可包括集成电路。可调节开关918可包括分立元件。可调节开关918可包括它们的一种或多种装置的组合。

格栅电极116可包括导电网，或冲孔或钻孔的导电片。例如，格栅电极116可由包括约1/4英寸钻孔的约1/8英寸的经阳极化处理的铝制成。除此之外或作为另外一种选择，格栅电极116可包括多条导线。

切换电极系统900可被配置为使得当格栅电极116被切换至与地导通时，电流从格栅电极116至第一电极组件112。除此之外或作为另外一种选择，当格栅电极116与地导通时，电流可从第一电极组件112至格栅电极116。

根据一个实施例，切换电极系统900可被配置为使得当格栅电极116被允许电浮动时，电流是从燃烧反应104至第一电极组件112。除此之外或作为另外一种选择，当格栅电极116被允许电浮动时，电流可从第一电极组件112至燃烧反应104。

根据一个实施例，由燃烧反应104接收的电能可包括电场。图10为根据一个实施例的燃烧系统1000的示图，其中燃烧系统1000包括平滑电极1002和格栅电极116。当第一电极组件112包括平滑电极1002时，由切换电极系统施加至燃烧反应104的电能可包括电场或基本上由电场组成。

图11为燃烧系统1100的示意图，其中第一电极组件112包括尖锐电极1102。尖锐电极1102可包括一个或多个尖锐结构，当足够高的电压施加至尖锐电极1102时，该一个或多个尖锐结构喷射离子。在此种实施例中，尖锐电极1102或者可称为电晕电极。格栅电极116可交替地允许或中断来自尖锐电极1102的离子流。例如，当格栅电极116从地(或其它屏蔽电压)断开时，电荷可从尖锐电极1102流向燃烧反应104。如果尖锐电极1102被提高至足够高的负电压，当格栅电极从地断开时，电荷可从燃烧反应104流向尖锐电极1102。当电压电路110将格栅电极116连接至地或其它屏蔽电压时，尖锐电极1102和燃烧反应104之间的电流可被基本上停止。

尖锐电极1102可包括点离子发射器、锯齿离子发射器和/或曲线离子发射器(例如，电晕线)。

图12A为根据一个实施例的图9的电极114、116和燃烧反应104的侧面剖视图1200。

图12B为根据一个实施例的剖视图1201，示出了图9的电极114、116和燃烧反应104的顶视图。

虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但也可设想其他方面和实施例。本文所公开的各个方面和实施例出于说明性目的，而并非旨在进行限制，其真实范围和精神由以下权利要求书指明。

Claims

1.一种被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，所述燃烧系统包括：

火焰稳定器，所述火焰稳定器设置于燃烧空间中，所述燃烧空间至少部分地由燃烧空间壁限定，且被配置为容纳燃烧反应；

电源，所述电源包括第一输出节点，所述第一输出节点被配置为带有第一电压；

第一电极组件，所述第一电极组件包括第一电极(114)，所述第一电极可操作地连接至所述电源的第一输出节点，并被配置为带有所述第一电压；

格栅电极(116)，所述格栅电极设置于所述第一电极组件和所述火焰稳定器之间；以及

电气开关，所述电气开关可操作地连接到所述格栅电极，所述电气开关被配置为可选择地将所述格栅电极连接至屏蔽电压；

其中所述屏蔽电压被选择为阻止所述燃烧反应从所述第一电极组件接收电能。

2.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述屏蔽电压与所述第一电压不同。

3.根据权利要求2所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述屏蔽电压是电压地。

4.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述第一电极组件包括所述第一电极和反电极；

其中所述第一电极和反电极可操作地连接到所述电源的相应第一和第二节点；以及

其中所述电源被配置为在所述第一和第二节点上输出相应的电压，所述电压选择为使得离子风从所述第一电极(114)流向所述格栅电极。

5.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述第一电极组件包括所述第一电极和反电极；并且

其中所述第一电极为电晕电极。

6.根据权利要求5所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述电源(108)被配置为在可操作地连接至所述第一电极的所述第一节点上输出一电压，所述电压为电晕起始电压或高于电晕起始电压的电压。

7.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述电气开关还被配置为选择性地将所述格栅电极从所述屏蔽电压断开。

8.根据权利要求7所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述电源被配置为驱动格栅电极电节点以使所述第一电极组件将所述格栅电极提高到一平衡电势，所述平衡电势基本上等于一本地电压，所述本地电压对应于当所述格栅电极从所述屏蔽电压断开时在所述第一电极组件和所述燃烧反应之间形成的电场。

9.根据权利要求7所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中当所述格栅电极从所述屏蔽电压断开时，所述格栅电极被配置为电浮动。

10.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述电气开关还被配置为选择性地将所述格栅电极(116)从所述屏蔽电压断开，并将所述格栅电极连接至所述电源的通行电压节点，所述通行电压节点被配置为带有通行电压，所述通行电压被选择为允许所述第一电极组件向所述燃烧反应施加电能。

11.根据权利要求10所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述电源被配置为在所述通行电压节点上输出可变通行电压，所述可变通行电压被选择为使所述第一电极组件(112)向所述燃烧反应施加与所述可变通行电压成正比的电能。

12.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述电气开关包括绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。

13.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述电气开关为所述电源的一部分。

14.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，所述燃烧系统还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述电气开关。

15.根据权利要求14所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述控制器为所述电源的一部分。

16.根据权利要求14所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述控制器与所述电源分开。

17.根据权利要求14所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述控制器被配置为控制所述电气开关，以使所述第一电极组件向所述燃烧反应施加对应于具有快速上升沿的电场波形的电能。

18.根据权利要求14所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述控制器被配置为控制所述电气开关，以使所述第一电极组件向所述燃烧反应施加对应于具有快速下降沿的电场波形的电能。

19.根据权利要求14所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述控制器被配置为控制所述电气开关，以使所述第一电极组件根据具有快速上升沿的波形向所述燃烧反应施加电荷。

20.根据权利要求14所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述控制器被配置为控制所述电气开关，以使所述第一电极组件向所述燃烧反应施加对应于具有快速下降沿的波形的电荷。

21.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述格栅电极包括柱形表面。

22.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述格栅电极包括金属网。

23.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述格栅电极包括金属网，所述金属网的目尺寸为约6平方毫米。

24.根据权利要求1所述的被配置为向燃烧反应施加电能的燃烧系统，其中所述格栅电极包括不锈钢丝网。

25.一种被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，所述燃烧系统包括：

火焰稳定器，所述火焰稳定器被配置为支撑燃烧反应；

第一格栅电极控制的电极组件，所述第一格栅电极控制的电极组件被配置为选择性地由正电压向燃烧反应施加电能；以及

第二格栅电极控制的电极组件，所述第二格栅电极控制的电极组件被配置为选择性地由负电压向所述燃烧反应施加电能。

26.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，所述燃烧系统还包括第一电气开关，所述第一电气开关被配置为选择性地将所述第一格栅电极控制的电极组件的第一格栅电极连接至屏蔽电压；以及

第二电气开关，所述第二电气开关被配置为选择性地将所述第一格栅电极控制的电极组件的第一格栅电极连接至屏蔽电压。

27.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述火焰稳定器通过高电阻与电压地绝缘。

28.根据权利要求27所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述高电阻包括电阻器。

29.根据权利要求27所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述高电阻凭借电绝缘体包括电阻。

30.根据权利要求27所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述高电阻为固有的高电阻材料，所述火焰稳定器由所述高电阻材料形成。

31.根据权利要求27所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述第一和第二格栅电极控制的电极组件被配置为交替地为所述燃烧反应充电，以带有正电压和负电压。

32.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，所述燃烧系统还包括：

控制器，所述控制器被配置为驱动所述电气开关。

33.根据权利要求32所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述控制器包括计时器电路，并且其中所述控制器被配置在50Hz和1000Hz之间的全周期频率下将所述电气开关从第一状态驱动至相反状态并返回至所述第一状态。

34.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，所述燃烧系统还包括：

一个或多个模块化耦接头，所述一个或多个模块化耦接头被分别配置为将所述格栅电极控制的电极组件连接至燃烧空间壁。

35.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中屏蔽电压为地电压。

36.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述第一和第二电压分别为+10千伏和-10千伏，或更大量级。

37.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述电气开关包括绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。

38.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中所述两个电气开关被配置为两个单刀单掷(SPST)开关。

39.根据权利要求25所述的被配置为向燃烧反应施加交变极性电能的燃烧系统，其中每个所述格栅电极包括不锈钢网，所述不锈钢网具有约6mm的线间距。

40.一种操作燃烧系统的方法，所述方法包括

用火焰稳定器将燃烧反应支撑在燃烧空间中；

将第一电极组件支撑在所述燃烧空间中；

将格栅电极支撑在所述燃烧空间中，位于所述第一电极组件和所述燃烧反应之间；

向所述第一电极组件施加第一电压；

向所述格栅电极施加屏蔽电压；以及

通过在所述格栅电极和所述燃烧反应之间维持可忽略的电场，阻止所述第一电压向所述燃烧反应施加电能。

41.根据权利要求40所述的操作燃烧系统的方法，所述方法还包括：

停止向所述格栅电极施加所述屏蔽电压；以及

通过允许在所述格栅电极和所述燃烧反应之间形成电场而允许所述第一电压向所述燃烧反应施加电能。

42.根据权利要求41所述的操作燃烧系统的方法，其中停止向所述格栅电极施加所述屏蔽电压包括向所述格栅电极施加通行电压，所述通行电压被选择为在所述格栅电极和所述燃烧反应之间形成所述电场。

43.根据权利要求41所述的操作燃烧系统的方法，其中停止向所述格栅电极施加所述屏蔽电压包括允许所述格栅电极电浮动至一通行电压，所述通行电压允许所述第一电压与所述燃烧反应形成电场。

44.根据权利要求40所述的操作燃烧系统的方法，其中将第一电极组件支撑在所述燃烧空间中包括支撑第一电极和支撑反电极，所述第一电极被配置为输出电晕放电，而所述反电极被配置为将由所述电晕放电形成的带电粒子朝向所述格栅电极和所述燃烧反应加速。

45.根据权利要求40所述的操作燃烧系统的方法，其中将第一电极组件支撑在所述燃烧空间中和将格栅电极支撑在所述燃烧空间中包括支撑格栅电极控制的电极组件，所述格栅电极控制的电极组件包括所述第一电极组件和所述格栅电极。

46.根据权利要求45所述的操作燃烧系统的方法，其中将所述第一电极组件和所述格栅电极支撑在所述燃烧空间中包括采用模块化耦接头将所述格栅电极控制的电极组件支撑在所述燃烧空间中，所述模块化耦接头被配置为允许将所述格栅电极控制的电极组件作为一个单元从所述燃烧空间外部进行更换。

47.根据权利要求40所述的操作燃烧系统的方法，其中向所述第一电极组件施加第一电压包括向电晕电极施加处于电晕起始电压或高于电

晕起始电压的第一电压。

48.根据权利要求47所述的操作燃烧系统的方法，所述方法还包括：

向反电极施加加速电压以使由所述电晕电极形成的电晕放电加速。

49.根据权利要求40所述的操作燃烧系统的方法，其中向所述第一电极组件施加第一电压包括向场电极施加第一电压。

50.根据权利要求40所述的操作燃烧系统的方法，所述方法还包括：

在50Hz和1000Hz之间的全周期频率下，在向所述格栅电极施加所述屏蔽电压、不向所述格栅电极施加所述屏蔽电压和向所述格栅电极再施加所述屏蔽电压之间切换。

51.一种被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统包括：

第一电极组件，所述第一电极组件被配置为带有第一电压；以及

格栅电极，所述格栅电极被配置为可选择地切换到地或屏蔽电压，或电浮动至与所述第一电压基本上相同的电压，或浮动至在所述第一电压和地或所述屏蔽电压之间的电压；

其中，当所述格栅电极设置于所述第一电极组件和燃烧反应之间时，且当所述格栅电极被允许电浮动时，被配置为使得所述燃烧反应从所述第一电极组件接收电能，并且当所述格栅电极被切换至地或所述屏蔽电压时，将所述燃烧反应从所述第一电极组件带有的所述电压屏蔽。

52.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括：可操作地连接到至少所述格栅电极的控制器，所述控制器被配置为切换所述格栅电极，以使所述切换电极系统向所述燃烧反应施加时变电能。

53.根据权利要求52所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括：

可操作地连接在所述控制器和至少所述格栅电极之间的电压电路，所述电压电路被配置为向包括所述第一电极的至少一电路施加所述第一电压，并且可选择地将所述格栅电极切换至地。

54.根据权利要求53所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述电压电路包括可分离的模块，所述可分离的模块分别被配置为向包括所述第一电极组件的至少一电路施加所述第一电压，以及可选择地将所述格栅电极切换至地。

55.根据权利要求53所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述电压电路包括包括高电压-电压转换电路，所述高电压-电压转换电路被配置为将源电压基本上放大或增加至所述第一电压。

56.根据权利要求53所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述电压电路包括电源地。

57.根据权利要求53所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述电压电路包括可调节开关，所述可调节开关可操作地连接在电源地和所述格栅电极之间。

58.根据权利要求57所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述可调节开关包括由以下组成的组中的一种或多种：继电器、簧片开关、水银开关、磁开关、管开关、半导体开关、IGBT装置、FET装置、MOSFET装置、集成电路、光开关和/或分立元件。

59.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述格栅电极包括导电网。

60.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述格栅电极包括冲孔导电片。

61.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述格栅电极包括多根电线。

62.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述切换电极系统被配置为使得当所述格栅电极被切换至与地导通时，电流是从所述格栅电极到所述第一电极组件。

63.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述切换电极系统被配置为使得当所述格栅电极被切换至与地导通时，电流是从所述第一电极组件到所述格栅电极。

64.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述切换电极系统被配置为使得当所述格栅电极被允许电浮动时，电流是从所述燃烧反应到所述第一电极组件。

65.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述切换电极系统被配置为使得当所述格栅电极被允许电浮动时，电流是从所述第一电极组件到所述燃烧反应。

66.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中由所述燃烧反应接收的所述电能包括电场。

67.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述第一电极组件包括平滑电极。

68.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中由所述燃烧反应接收的所述电能包括电荷流。

69.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述第一电极组件包括离子发射源。

70.根据权利要求69所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述离子发射源包括电晕电极。

71.根据权利要求69所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述离子发射源包括点离子发射器。

72.根据权利要求69所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述离子发射源包括齿形离子发射器。

73.根据权利要求69所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述离子发射源包括包括曲线离子发射器。

74.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中由所述燃烧反应接收的所述电能包括电弧。

75.根据权利要求74所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述第一电极组件包括放电电极。

76.根据权利要求75所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括可操作地连接到所述放电电极的电压电路；

其中所述电压电路包括电压倍增器，所述电压倍增器被配置为向所述放电电极施加高电压。

77.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括：

控制器，所述控制器可操作地连接到所述格栅电极，并被配置为使所述切换电极系统向所述燃烧反应施加时变电信号。

78.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括：

控制器，所述控制器可操作地连接到所述格栅电极，并被配置为使所述切换电极系统向所述燃烧反应施加电弧点火。

79.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括：

控制器，所述控制器可操作地连接到所述格栅电极，并被配置为使所述切换电极系统向所述燃烧反应施加电场。

80.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括：

控制器，所述控制器可操作地连接到所述格栅电极，并被配置为使所述切换电极在所述第一电极组件和所述燃烧反应之间施加电荷流。

81.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述第一电极组件包括离子发射电极和反电极，当所述格栅电极被允许电浮动时，所述离子发射电极和所述反电极被配置为向所述燃烧反应施加离子风。

82.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述切换电极系统包括多个对应的第一电极组件和格栅电极对。

83.根据权利要求82所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，其中所述多个对应的第一电极组件和格栅电极对被配置为向所述燃烧反应施加空间上排序的电荷流或电场时变电能。

84.根据权利要求51所述的被配置为向燃烧反应施加电能的切换电极系统，所述切换电极系统还包括：

控制器，所述控制器被配置为向所述燃烧反应施加基本上为DC、时变、AC、DC偏磁的AC、数字合成、模拟、削顶、方形、锯齿、三角形、平头锯齿、平头三角形、脉冲调制的、时间选通的、窄带、扩频或正弦波电能。