CN1714873A - 改善空气电离器鼓风机均匀性和电荷衰减时间特性的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种空气电离器鼓风机包括一个电压源，一个空气入口，一个空气出口，一个空气推进器，至少一个电极和一个矫直舵。空气推进器被构造成能使空气流入空气入口和流出空气出口，因而产生一个空气流。电极被设置在空气的流动路径中并被电连接于电压源。电极被构造成能产生正和负极性离子的任何一种或两种。矫直舵被设置在空气流中并减弱引起损耗的空气流图形，减弱的方法是将引起损耗的空气朝一个单一输出方向重新定向并将流经不同于该单一输出方向的空气流部分朝该单一输出方向重新定向。矫直舵有多个均匀分布的孔，每个孔的深度是孔敞口面积的函数。

Description

改善空气电离器鼓风机均匀性和电荷衰减时间特性的装置和方法

技术领域

本发明涉及空气离子发生器，更具体地说涉及一种通过重新定向要放电的空气流图形来改善空气电离器鼓风机均匀性和电荷衰减时间特性的装置和方法。

背景技术

在许多制造和加工环境中希望防止电荷积累在工作空间内。为了防止电荷积累，将正和负两种离子导入工作空间以中和可能积累起来的任何电荷。一种必须避免生产区域电荷积累的产业例子是碟驱动器产业(disk drive industry)。在该产业中保持高的生产率是至关重要的。

空气电离是消除非导电材料和孤立导体上静电荷的一种有效方法。空气电离器在周围大气中产生大量正离子和负离子。周围大气作为空气中电荷的可流动载体。当离子通过空气流动时，它们被吸引到相反荷电的粒子和表面上。通过这个过程快速地实现荷静电表面的中和。

另外，许多空气净化器和环境空气电离设备也产生正极性离子，但更典型的是产生负极性离子。

空气电离可用电离器实现，这种电离器在称作电晕放电的过程中产生离子。电离器通过这种过程产生空气离子，即在一个尖端周围增强电场，直到电场克服了周围空气的介电强度；当电子由电极流入周围空气时产生负电晕。正电晕是由于电子由空气分子流入电极而产生的。

离子产生的一个重要因素是离子能多么快地从电离针的尖端传入空气流并最终传至所需要的工作空间或目标。在离子空气鼓风机中通常使用一个发射器装置，离子空气鼓风机发射正极性离子和负极性离子中的任何一种或两种。发射装置安装在空气流动路径中，使空气被推过空气导流器，如由电离器外壳内壁形成的环状环。图4-5描述一种现有技术的空气电离器鼓风机50，它有外壳52和设置在空气电离器鼓风机50出口上方的传统手指保护罩51。电离针或其它电极从环形环大致沿径向向内伸出，使得它们的尖端位于空气流中，以便允许离子被吹离或抽离电离针并吹到离子空气鼓风机50的外面，离子空气鼓风机50装有发射装置。一般使用空气推进器，如旋翼叶毂风扇(rotary-hub fan)或轴向风扇(axial fan)或管式轴向风扇(tube-axial fan)来驱动或抽动空气，使之通过空气电离鼓风机50。如图4中所示，这种传统手指保护罩51的缺点是，空气不指向一个特定的方向，因此，引起损耗的(loss-causing)空气流图形，如涡流(eddy currents)、涡旋(swirls)、漩涡(vortices)、旋转涡旋(rotational swirls)和非直线流径(non-linear traiectories)不利于或阻止空气流流向工作空间。而且一些空气流即使不引起损耗，但是有不指向工作空间或目标的流动路径。

轴向风扇的典型空气流输出在远离风扇的方向(X方向，垂直于风扇面)有某一速度，并且在切向方向(Y-Z平面，平行于装置面)有速度分量。对于从风扇来的空气来说，净效果是有很大的涡旋。对风扇的涡旋已有清楚的了解并可用计算机流体力学很好地模拟。对于一个应用，如轴向风扇的输出用来瞄准重要区域的电离器，参见，例如，图4中现有技术的空气电离鼓风机，风扇旋涡的切向分量是不希望有的，因为它们缺乏朝向工作空间或目标区域的方向性。可以买到的风扇保护罩，如传统的风扇手指保护罩51(图4)由圆角或椭圆截面的零件构成。在金属丝手指保护罩的情况下，圆角金属零件将空气流任何方向的阻力都减至最小。同样，塑料手指保护罩51不太影响输出空气流的方向性。无论在上述哪种情况下这种对空气相对各向同性的阻力允许空气流远离风扇，而对与电离器输出方向相切的速度分量影响甚小。

因为空气流不能迅速或彻底到达工作空间，所以离子不能有效地传至工作空间或目标。另外，在双极性电离器的情况下，引起损耗的空气流图形也造成正、负荷电离子的复合或者说抵消，因而进一步降低系统的效率。而且空气推进器或者说风扇的最佳效率也不能充分实现，因为大部分未导向的放电空气甚至永远不能到达工作空间或目标。

因此需要提供一种被构造成能朝向工作空间或目标重新定向空气流的空气电离器鼓风机。另外需要构造用来减弱引起损耗的空气流图形的电离器鼓风机，以改善对于携带离子的空气流和距离的效率。

发明内容

简短地说，本发明包括一个空气电离器鼓风机，它包括一个电压源，一个空气入口，一个空气出口，一个空气推进器，至少一个电极和一个矫直舵。空气推进器被构造成能使空气流入空气入口和流出空气出口，因而产生一个空气流。该至少一个电极被设置在空气的流动路径中并被电连接至电压源。该至少一个电极被构造成能产生正和负极性离子中的任何一种或两种。矫直舵被设置在空气的流动路径中并被构造成能减弱空气流中的引起损耗的空气流图形，减弱的方法是将引起损耗的空气流朝一个单一输出方向重新定向并将流径不同于该单一输出方向的空气流部分朝该第一输出方向重新定向。矫直舵有多个大致均匀分布的孔，每个孔的深度是孔的总敞口面积的函数。

本发明还包括一个双极性空气电离器装置，该装置包括一个空气入口，一个空气出口，一个高电压源，第一和第二电极，一个空气推进器和一个矫直舵。高电压源有一个正高压输出和一个负高压输出。第一电极被电连接至正高压输出并被构造成能产生正极性离子。第二电极被电连接至负高压输出并被构造成能产生负极性离子。空气推进器使空气通过空气入口环绕电极流入双极性空气电离器并通过空气出口流出双极性空气电离器，因而产生一个空气流。矫直舵被设置在空气流的路径中并被构造成能减弱空气流中引起损耗的空气流图形，减弱的方法是使引起损耗的空气流朝一个单一输出方向重新定向并将路径不同于该单一输出方向的空气流部分朝该单一输出方向重新定向。矫直舵有多个大致均匀分布的孔。每个孔的深度是孔总敞口面积的函数。矫直舵位于空气入口、空气出口和电极中至少一个的上方，使得流入空气入口的空气，流出空气出口的空气或流经电极的空气流过矫直舵。

本发明还包括一个双极性空气电离器装置，它包括一个空气入口，一个空气出口，一个交流(AC)高电压源，一个电极，一个空气推进器和一个矫直舵。电极电连接高电压源，并被构造成能交替产生正负极离子，空气推进器使得空气通过空气入口流入双极性空气电离器，环绕电极，通过空气出口流出双极性空气电离器，因此产生空气流。矫直舵被设置在空气流的路径中并被构造成能减弱空气流中引起损耗的空气流图形，减弱的方法是使引起损耗的空气流朝一个单一输出方向重新定向并将路径不同于该单一输出方向的空气流部分朝该单一输出方向重新定向。矫直舵有多个大致均匀分布的孔。每个孔的深度是孔总敞口面积的函数。矫直舵位于空气入口、空气出口和电极中至少一个的上方，使得流入空气入口的空气，流出空气出口的空气或流经电极的空气流过矫直舵。

附图说明

结合后附的附图阅读时将会对本发明的上述概要以及下面的详细说明有更好的理解。为了说明本发明起见，在附图中表示出了目前的优选实施例。但应明白，本发明不限于所表示的精确配置和构件。附图有：

图1是一种空气电离器鼓风机的透视图，该电离器鼓风机有按照本发明第一优选实施例的矫直舵；

图1B是图1A空气电离器鼓风机的部分分解图，它表示出主要的内部组成件；

图2是图1A矫直舵的放大透视图，它带有局部横截面部分；

图3是有图1A矫直舵的空气电离器鼓风机的侧视透视图，它还表示出放电空气流的图形；

图4是有传统手指保护罩的空气电离器鼓风机并表示出放电空气流图形的侧视透视图；

图5是有传统手指保护罩的现有技术空气电离器鼓风机的透视图；

图6是按照本发明优选实施例的交流电路的示意电路图；

图7是按照本发明优选实施例的双极性电离器控制电路的示意电路图。

具体实施方式

在下面的说明中使用了一些术语，这只是为了方便而不是限制。字“右”、“左”、“下”和“上”在参考附图中标记方向。字“内”、“外”分别表示朝向和远离所示和所标记的部件的零件或器件几何中心的方向。术语包括上面具体提及的字，它们的派生字及有类似含义的字。另外，在权利要求书和说明书相应部分中的字“一个”是指一个或至少一个。

详细参考附图，在整个附图中相同的标号表示相同的零件，在图1A-1B，2-3和6-7中表示一种空气电离器鼓风机20，电离器鼓风机20有按照本发明第一优选实施例的矫直舵30。电离器鼓风机20包括一个电压源110，一个空气入口23，一个空气出口25，一个空气推进器26，至少一个电极114和一个矫直舵30。

矫直舵30可由导电材料或非导电材料形成。矫直舵30还可电耦合于电压源110，以提供电压源110的反馈控制。

空气推进器26被构造成能使空气流入空气入口23和流出空气出口25，因而产生一个空气流。空气推进器26可以是一个风扇26，如旋翼叶毂风扇(rotary-hub fan)或轴向风扇(axial fan)或管式轴向风扇(tube-axial fan)(图1B)。当然在不偏离本发明的情况下可以使用任何空气推进器26，包括鼓风机，鼠笼式风扇，压缩空气源等。

至少一个电极114被设置在空气流径中并被电连接至电压源110(图6)，至少一个电极114被构造成能产生正(+)和负(-)极性离子中的任何一种或两种。优选在空气电离器鼓风机20(图1B)中有多个电极114，例如沿径向由风扇26的毂向外伸出或沿径向向内向风扇26的毂伸出的电离器针114。在不偏离本发明的情况下可同等地使用其它电极114，如金属丝、针、管等。在不偏离本发明的情况下，电极114也可以在风扇26的上游或下游沿其它取向构造。

电压源110包括交流(AC)高压电源112和控制电路90。优选情况是，AC电源112的供电是电压在约70V和约240V之间和频率在约50Hz和约60Hz之间的交流电。电压源110的AC电源112可包括电源调节件，如变压器，它能使电压在约5KV和10KV之间逐步升高，频率在约50Hz和约60Hz之间。电压源110的AC电源112可包括电源调节件，如整流器，整流器包括二极管和电容器配置，它能在5KV和10KV直流(DC)电之间增加电压，电压可以是正和负极性中的任何一种或两种。控制电路90被构造成能根据来自传感器120或矫直舵30的反馈来激励AC电源112。传感器120探测放电空气流的离子水平。作为反馈电路的控制电路90优选用于自动调节传送给电极114的功率，以调节离子空气鼓风机排出的空气中所含离子的水平。控制电路90可包括其它组成件，如集成电路(IC_s)、控制器、放大器等，用来接收反馈控制和/或操作员的调节。当矫直舵30由导电材料形成并用作反馈传感器时可提供一个附加的反馈或偏置电路122，电路122包括偏置元件，如耦合于地的电容器或电阻，或耦合在矫直舵30和控制电路90之间的电容器、电阻、放大器或电压源。

在示于图7中的另一个实施例中可使用一电压源210，电压源210的供电是控制在约24V的直流电。电压源210包括正高压源212和负高压源216中的任何一种或两种。电压源210可包括用作AC源以激励其输出要被整流的变压器的自激多谐振荡器(free standing oscillator)，它能将正和负极性的直流电调节在5KV和10KV之间。在任何实施例中传感器120都可为电压源210提供反馈，以控制电源212，216的输出。控制电路190被构造成能根据来自传感器120或矫直舵30的反馈来激励正和负高压电源212，216。控制电路190可包括一些组成部分，如集成电路(IC_s)、控制器、放大器等，用于接收反馈控制和/或操作员的调节。当矫直舵30由导电材料形成并用作反馈传感器时可设置一个附加反馈或偏电路122，电路122包括一个偏置元件，如耦合于地的电容器或电阻，或耦合在矫直舵30和控制电路190之间的电容器、电阻、放大器或电压源。对于本发明来说，与空气电离器鼓风机20一起使用的特定电压源110，210的细节不是至关重要的，因此这里不做详细叙述。

矫直舵30被设置在空气流路径中并被构造成能减弱空气流中引起损耗的空气流图形，减弱的方法是将不需要的引起损耗空气流朝一个单一输出方向重新定向并将流径不同于该单一输出方向的空气流部分朝该单一方向重新定向。矫直舵30位于空气入口23，空气出口25和至少一个电极114中至少一个的上方，使得流入空气入口23的空气，流出空气出口25的空气或流经至少一个电极114的空气流过矫直舵30。矫直舵30有多个大致均匀分布的孔32。每个孔32有高度H，宽度W和深度D(图2)。每个孔32的深度D优选大于2mm，以便提供对空气流的重新定向。优选情况是，每个孔32的深度D是孔总敞口面积的函数。例如，每个孔32的深度D计算为至少是孔敞口面积平方根的。

例如，在一个设计中，认为高度H为0.5英寸(12.7mm)，宽度W为0.5英寸(12.7mm)，深度D大于0.25英寸(6.35mm)的方孔32能改善性能。方孔的面积等于高度乘以宽度，或者在该例中面积＝H×W＝0.5×0.5＝0.25。0.25的平方根等于0.5而×0.5＝0.25。

当然不偏离本发明的情况下同样可利用将孔32的敞口面积或周长与深度相联系的其它计算关系式。同样，在不偏离本发明的情况下也可利用将矫直舵的实面积与孔32的深度相联系的其它计算关系式。

虽然图示了方形和三角形孔32(图2)，但在不偏离本发明的情况下在构造体阻力元件或矫直舵30中也可采用形状为六边形、矩形、圆形、多边形或其它重复几何形状的孔32。矫直舵30的孔32可排列成网格或蜂窝状。优选情况是，矫直舵30的孔32被排列成相对于矫直舵30的整体形状对称的图形。

通过给空气流引入一个体阻力元件，即矫直舵30，能成功地重新定向风扇26输出的不需要切分量。矫直舵30被设计成对于速度方向与所需输出方向(X方向)相切(Y-Z平面)的空气有阻力。与此同时，矫直舵30被设计成在所需空气流方向(X方向)有最低限度的横截面，从而将沿该方向运动的空气的阻力减至最小。优选情况是，矫直舵30的敞口面(即有孔32的面)沿所需空气流的方向排列。选择孔32的深度，使之对沿切向方向的流动提供阻力。对于特定的应用可优化矫直舵30的构造，以消除切向空气流或控制至所需水平。

当设计空气电离器鼓风机20的矫直舵30时应考虑以下参数：

(i)应将孔32之间的壁厚Tw减至最小以将沿所需方向的空气阻力减至最小；

(ii)应将垂直于所需空气流动方向的总壁面积Aw减至最小；

(iii)增加孔32的深度D将增加沿与所需方向相切方向运动的空气的附加阻力；

(iv)可调节孔32的深度D，以将空气的切向速度保持在中等水平；

(v)将孔32的深度增加至对输出空气的方向性不产生附加的影响；

(vi)增加矫直舵30单位面积孔32的数量将增加对沿切向方向运动的空气的阻力；

(vii)增加矫直舵30单位面积上孔32的数量将因增加的总壁面积Aw而增加对所需方向运动的空气的阻力。

有其它不规则几何形状(例如，对称的，非几何或者说非对称的形状)的孔32在对沿切向方向运动的空气流提供阻力上可起到相同的作用，同时让沿垂直方向的空气自由流动并可起到减弱引起损耗的空气流图形的作用。

按照本发明第二实施例的双极性空气电离器装置20包括空气入口23，空气出口25，高压源210，第一和第二电极214，218，空气推进器26和矫直舵30。第一电极214电连接于正高压输出或电源212并被构造成能产生正极性离子。第二电极218电连接于负高压输出或电源216并被构造成能产生负极性离子。空气推进器26使空气通过空气入口23流入双极性空气电离器20环绕电极214和218并通过空气出口25流出双极性空气电离器20，因而产生一个空气流，矫直舵30被设置在空气流的路径中并被构造成能减弱空气流中的引起损耗的空气流图形，减弱的方法是将引起损耗的空气流朝一个单一输出方向重新定向并将路径不同于该单一输出方向的空气流部分朝该单一输出方向重新定向。矫直舵30有多个大致均匀分布的孔32。每个孔32的深度D是孔32总敞口面积的函数。矫直舵30位于空气入口23，空气出口25和电极214，218中至少一个的上方，使得流入空气入口23的空气，流出空气出口25的空气或流经电极214，218的空气流过矫直舵30。

按照本发明第三优选实施例的双极性空气电离器装置20包括空气入口23，空气出口25，交流(AC)高电压源110，电极114，空气推进器26和矫直舵30，电极114电连接于高电压源110的AC电源112并被构造成交替地产生正和负极性离子。空气推进器26使空气通过空气入口23流入双极性空气电离器20环绕电极114并通过空气出口25流出双极性空气电离器20，因而产生一个空气流。在其它方面，按照本发明第三优选实施例的双极性空气电离器装置20的工作与本发明第二优选实施例的相同。

同心环或同心管或其它形状可将输出空气集聚成类似矫直舵30的柱，因此可设想在本发明的另外不同实施例中使用。但是，这样的设计在为横跨其面积的切向方向(Y-Z平面)的空气流提供均匀的阻力方面是不理想的。

用双极性或单极性空气电离器鼓风机20都能同等好地实现本发明。而且，虽然图示的涉及台式单元，但空气电离器鼓风机20的尺寸和形状不必限于台式装置。甚至本发明可用其它离子发生器实现，如α源，X一射线光电离器等。

对比现有技术的空气电离器鼓风机50(图4)和按照本发明的一个空气电离器鼓风机20(图3)的实验数据表明，对于一个给定距离，采用矫直舵30，电荷的衰减时间减半。另外，与仅带一个手指保护罩51的现有技术空气电离器鼓风机50相比，有矫直舵30的空气电离器鼓风机20表现出电离空气流有到达更远距离的能力。而且，与只有一个手指保护罩51的现有技术电离器鼓风机51相比，有矫直舵30的空气电离器鼓风机20的实验表明，在环绕风扇旋转轴线的区域里，均匀的离子平衡和电荷衰减时间的均匀分布都有可检测的改善。

由上述内容可以看到，本发明包括具有矫直舵的空气电离器鼓风机，矫直舵被构造成能减弱空气流中的引起损耗的空气流图形，减弱的方法是，将引起损耗的空气流朝一个单一输出方向重新定向并将流经不同于该单一输出方向的空气流部分朝该单一输出方向重新定向。本领域的技术人员会理解，在不偏离本发明的情况下可对上述实施例做一些改变。因此，应该明白，本发明不限于所公开的特定实施例，而打算包括按后附权利要求书限定的本发明精神和范围内的所有修改。

Claims (15)

1、一种空气电离器鼓风机，包括：

一个电压源；

一个空气入口；

一个空气出口；

一个空气推进器，被构造成能使空气流入所述空气入口和流出所述空气出口，因而产生一个空气流；

至少一个电极，被设置在空气的流动路径中并被电连接于所述电压源，所述至少一个电极被构造成能产生正和负极性离子中的任何一种或两种；

一个矫直舵，被设置在空气流的路径中并被构造成能减弱空气流中的引起损耗的空气流图形，减弱的方法是将引起损耗的空气流朝一个单一输出方向重新定向并将路径不同于所述单一输出方向的空气流部分朝所述单一输出方向重新定向，所述矫直舵有多个大致均匀分布的孔，每个孔的深度是孔总敞口面积的函数。

2、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述空气推进器是个风扇。

3、按照权利要求2所述的空气电离器鼓风机，其中所述风扇是个旋翼叶毂风扇或轴向风扇或管式轴向风扇。

4、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述矫直舵是由导电材料形成的。

5、按照权利要求4所述的空气电离器鼓风机，其中所述矫直舵电耦合于所述电压源，作为一个传感器用来为所述电压源提供反馈控制。

6、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述矫直舵是由非导电材料形成的。

7、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述引起损耗的空气流图形包括涡流、旋转涡旋、漩涡和非直线流径中的至少一种。

8、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述矫直舵位于所述空气入口、所述空气出口和所述至少一个电极中至少一个的上方，使得流入所述空气入口的空气，流出所述空气出口的空气或流经所述至少一个电极的空气流过所述矫直舵。

9、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述矫直舵位于所述空气出口的上方。

10、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，还包括位于所述空气出口的传感器，该传感器用于传感出口空气的离子含量并提供控制所述电压源的反馈电压。

11、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中每个孔是矩形、圆形、多边形和非对称形等形状中的一种。

12、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述矫直舵的孔被排列成网格或蜂窝式的。

13、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中所述矫直舵的孔排列成相对所述矫直舵的整体形状对称的图形。

14、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中每个孔的深度至少为2mm。

15、按照权利要求1所述的空气电离器鼓风机，其中每个孔的深度至少等于乘以敞口面积的平方根。

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