CN1953837A - 离子产生方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于产生正离子及负离子的方法及设备，其包括相隔一间隙并被以一频率供以交流离子化电压的电极，所述频率使所产生的离子在电极之间的间隙内运动并表现出一使离子基本积聚于所述间隙的中间区域内的运送驻留时间。一静电场、或者穿过所述间隙的流动的空气或其他气体流将所产生的离子自所述间隙内传送出。借助离子化电压与至少一个围绕所述间隙布置的电极的电容性耦合来实现所产生正离子与负离子的自平衡。

Description

离子产生方法及设备

技术领域

本发明涉及一种用于通过在电晕放电中产生自平衡离子云来高效地产生及收集能够中和一带静电的靶的离子的方法及设备，以用于高效地收集气体离子并使离子容易地运动至一带电物体。

背景技术

传统的基于在带静电荷的物体附近进行空气或其他气体的电离的静态中和系统用于对导电性、半导电性及电绝缘的物体进行放电。然而，已知的静态中和系统的效率非常低，因为所产生的离子中有约95-99％不能被收集用来对带电物体进行放电。这是因为电晕放电需要具有一高强度的电场来产生离子，且所述电场会使离子在电晕电极之间的间隙中移动，从而使大多数离子不能离开电晕电极之间的间隙。因此，离子流主要在所述电极之间流动且所收集的用于电荷中和的离子输出量极低。此种低下的效率适合于传统的DC电源放电装置及工业或交流(50-60Hz)电晕中和系统。另外，已知的在0.1-10MHz频率范围中工作的高频电晕放电中和系统的特征在于离子复合率非常高且电晕电极的杂散电容会造成大的功率损耗。因此，希望提供一种通过优化产生离子、使离子电平衡及移动所产生离子的过程来以高的效率产生用于静电中和的离子的方法及设备。

发明内容

根据本发明，通过气体或空气在电晕放电中的电离来实施用于对带电物体进行静电中和的正离子及负离子的产生。在一其电极连接至一交流离子化电压产生器的离子化单元或模块中实施双极性电晕放电。理想地，出于进行静电中和的目的，所述电晕放电形成一包含基本相等的正离子与负离子混合物的双极性离子云。所述离子云在离子化单元的电极之间间隙的中心区域中连续振荡。通过根据所述电极的几何形状及电极之间的气隙间距以及离子云中气体离子的迁移率，使用施加至所述离子化单元的交流电压幅值与频率的特定组合使此种振荡的离子云集中于所述间隙的中间区域中。

在所述间隙的中间区域中振荡的离子云会促进对用于中和一附近物体上的静电荷的离子的有效收集。所述带电物体位于离子化单元附近几倍于所述间隙间距处，以在由带电物体本身所产生的电场的作用下使离子移动。如果所述物体位于距离子化单元相当大的距离处，则另一运送机理(例如流过所述离子化单元的气体或空气)可从所述间隙中收集用于静态中和带电物体的离子。

所产生的离子云在离子化单元的电极之间振荡会促进离子平衡及负离子与正离子的混合并有效地使用电晕放电电流来容易地将离子运送至一带电物体来进行中和。

附图说明

图1为一使用一个或多个尖的离子化电极的离子化单元的示意性剖视图；

图2为一使用薄的电晕导线形式的离子化电极的离子化单元的示意性剖视图；

图2a为图2中所示电晕电极的剖视图；

图3为一位于气体或空气移动设备附近的离子化单元的示意性剖视图；

图4为一方块图，其显示一连接至一交流离子化电压源的离子化单元；及

图5a、5b为例示一离子化单元中的电压波形及离子云的移动的图示。

具体实施方式

现在参见图1，其显示一使用一个或多个对齐的离子化尖电极2的离子化单元1的剖视图。根据本发明，离子化单元1提供一用于静态中和的离子源，离子化单元1包括具有相对小的尖端半径或尖点(或细导线)的电极2(即离子化电极)、及也可为一尖点(或细导线)但较佳呈具有相对大半径的圆形的电极3(即一反电极或参考电极)。

离子化单元1包括一机械性的电绝缘支撑件4以用于使电晕电极保持某一距离且在这些电极之间具有一所需的间隙G。离子化电极2与反电极3可基本上位于一个平面中且较佳与一需要进行静态中和的物体5的带静电荷的表面呈平面平行关系受到支撑。带电物体5既可静止也可移动(例如一由塑料、纸张、布料等等形成的绝缘网片)。

现在参见图2，其显示一使用长的细导线形式的离子化电极6的离子化单元1的剖视图。在此种情形中，离子化单元1可包括两个定位成沿或围绕离子化电晕导线6延伸的反电极7及8。导线6可具有一裸露的导电面(例如金属面)或者具有一如在图2a的剖视图中所示的介电表面涂层6a。反电极7、8也可具有一裸露的导电面或者一类似于在图2a的剖视图中所示导线电极的介电涂层。

现在参见图3，其显示一定位于气体或空气移动设备(例如风扇9)附近的离子化单元的剖视图。该设备9也可为一喷嘴、空气导管或类似装置。离子化单元1可在空气动力学方面构造成对气体或空气流透明(例如通过一穿过支撑件4的导管)。在此种情形中，空气移动设备9可定位于离子化单元1的下游9a或上游9。

现在参见图4中的方块图，其显示一连接至一交流离子化电压源10的离子化单元的电极2。一离子化单元的该电极2或一组对齐的电极2通过电容器12、或者通过直接的或电阻性的耦合连接至交流高压源10，且反电极3直接地或通过一电流监控电路13接地。由此使正离子及负离子形成的离子云14在所存在电场的作用下在电极2与3之间在这些电极之间的间隙间距G内振荡。

现在参见图5a、b，其显示用于例示离子化单元内形成于受激电极之间的波形及离子云运动的图表或图示。图5a显示在例如由高压源10提供的一梯形波形的一个循环内高电压V(t)对时间(t)的依赖性。当然，也可对离子化单元1的电极应用正弦波形、正方形波形或其他周期性波形的交流电压。例如，图5b显示一具有浓度为(+)(N)的正离子及浓度为(-)(N)的负离子并形成离子云的气体的运动，所述离子云的位置随时间的变化取决于由所施加的时变电压形成的电场。

当电压V(t)在正的半循环中随时间一直上升到一阈电平Vo时，将开始一正极性的电晕放电。该阈电平Vo已知为电晕起始电压且随包括离子化单元几何形状在内的若干个参数变化。在电极之间的电压高于Vo的时间段内，电晕放电会产生一具有例如正极性的离子云。由于电极之间存在电位梯度，因而在间隙区域中也将存在一电场，且离子云将根据该电场而远离离子化电极2运动(在正极性期间)、及远离反电极3运动(在负极性期间)。

离子云的运动速度取决于离子迁移率μ-其定义为每单位电场强度的离子的速度。在大多数情况下，可将离子迁移率视为在离子横越电极之间间隙的时间期间相对恒定。大多数气体的离子迁移率μ均有方便可用的报告。离子迁移率的平均值取决于离子电荷的极性，并随气体的分子组成以及例如温度和压力等物理参数而变化。

根据本发明，施加至电极的所需电压及频率可由离子化单元1的电晕电极2、3的间隙几何形状及气体离子迁移率来规定。

电晕起始电压Vo也取决于离子化电极的几何形状、气体成分、物理参数及所施加电压的极性。这些起始电压可计算得出或通过实验来界定。为维持双极性电晕放电，施加至离子化单元的电极的时变交流电压V(t)的幅值应至少等于或高于最大电晕起始电晕Vo。离子化电极与反电极之间间隙G中的离子漂移速度U(t)表示为：

                             U(t)＝μE(t)          方程式(1)

其中E(t)为随时间及随离子云在电极间隙中横越的路径而变化的电场。为便于简化用于例示本发明的应用的量纲分析，可将E(t)近似表示为V(t)/G，因而漂移速度可近似表示为

                             U(t)＝μ×(V(t)/G)    方程式(2)

其中μ为上文所述的离子云的平均离子迁移率，且为简明起见，可将其视为正离子与负离子的平均离子迁移率。

在1个大气压力且温度为21℃的条件下，空气的典型的μ值约为1.5×10^-4[m²/v^*s]。在实际中，可使用数值计算来更精确地描述在一既定离子化单元及气体成分条件下的E及μ值的统计性分布两者。

当所施加电压V降至一低于电晕起始电压Vo的电平时，离子云将在合成电场的作用下继续移动某一时间段，直至所施加电压改变极性。从该时间点起，离子云朝离子化电极3向回漂移。最终，所施加电压达到负离子化阈值，此时发射出负离子。此时，正离子云继续朝离子化电极漂移且这些离子与所发出的负离子既混合又复合。随着负半循环的继续，负离子云同样如上文所述以方程式(1)所示的漂移速度远离离子化电极运动。离子云在形成所述间隙的电极之间来回传播所需的时间是离子在离子化单元中的驻留时间T。驻留时间也为一统计性的量值，其描述离子从发射出至在带电物体的电场作用下或通过气体流或通过复合及与电极碰撞而消失的寿命。

可通过以一与驻留时间相匹配的交流电压频率提供带正电荷及负电荷的离子云来优化离子化单元中电晕放电的输出。此会形成一主要在电极之间的中间区域中振荡的离子云。实际上，这意味着在离子化电极附近所形成的离子云可在时间周期T期间进入间隙的中间区域内，其中：

                        T＝G/(2U(t))＝G/(2μE(t))      方程式(3)

此可使用方程式(2)近似表示为：

                        T＝G²/(2μV(t))                方程式(4)

因此，为满足离子云在间隙的中间区域中振荡的条件，用于完成一个完整循环的所施加离子化电压的频率f应为：

                        f＝T＝U(t)/G＝(μV(t))/G²    方程式(5)

方程式(5)表明，为以一更高的所施加电压来提供最高离子化单元效率，需要升高频率。此外，众所周知，离子迁移率很强地依赖于气体成分、温度及压力。因此，在离子迁移率升高的条件下，所施加电压的频率也应升高。而且，为避免需要使用过高的频率，也可增大电极之间的间隙。

举例而言，在正常大气条件下空气中的平均离子迁移率接近μ＝1.5×10^-4m²/V^*s，且尖点的平均电晕起始电压约为Vo＝4000V，因此，所施加电压应约为V＝6000V且离子化单元的电极之间的间隙可为G＝1.5×10^-2m。应用方程式(5)会得出在环境压力条件下该实例性空气离子化单元的最佳频率为f＝4kHz。

对于在电晕电极之间间隙的中间区域中振荡的离子云而言，因朝一相反极性的电极迁移而引起的离子损耗将会降低。此外，此种离子云不具有远离离子化电场的定向运动，而是围绕中间区域振荡，因而带电物体的静电场能够容易地从离子化单元的电晕间隙中收集离子从而实现高效的静态中和，且此可使用相对低强度的静电场使离子朝带电物体运动来实现。通过此种方式，离子中和可对一紧靠所述间隙定位的具有极低残余电荷电平的带电物体进行放电。

在许多情形中，可将带电物体置于距离子化单元较短的距离处。如要通过较长的距离从离子化单元提供离子，可将所述单元定位于空气或气体移动设备附近。因此，可将离子化单元定位于气体移动设备(例如风扇9、9a)的下游或上游处，且可将离子化单元在空气动力学方面构造或制作成对空气或气体流“透明”。因此，可很容易地使在电极之间间隙的中间区域中振荡的离子云在空气或气体流中运动并通过一较大的距离提供至带电物体。如此一来，使用相对缓慢的气体流及以小的气体消耗量，便可在离子化单元与带电物体之间的较大距离内实现有效的电荷中和。

对于施加至离子化单元的交流电压，可在高压源10与离子化电极2之间使用电容性耦合12。电容性耦合至离子化电极及接地反电极的常规的线路频率高压源(50-60Hz)无法提供电平横的离子流，而是通常产生具有明显的正极性偏差量的输出离子，这部分地起因于正离子与负离子的完全不同的迁移率。

相比之下，根据本发明在电晕电极之间的中间区域中连续振荡并包含一接至离子化电极2的电容性链路的离子云则能实现离子自平衡。具体而言，如果出于某种原因，在振荡的离子云中积聚了额外数量的其中一种极性的离子，则这些额外数量的离子将沉积于离子化电极上从而通过电容性耦合12确定一偏压偏置量，所述偏压偏置量通过改变为获得Vo所需的偏压偏置量与时变高频电压的组合值来恢复离子云中的离子平衡。反电极3可如前面所述接地或通过电流或电压传感电路13连接至地。

因此，本发明的方法及设备在离子化单元的中间区域中确定一正离子与负离子平衡的振荡的离子云，可从所述中间区域中高效地收集离子并通过低的静电场或流动的空气或其他气体流使离子朝一带电物体运动。

Claims (23)

1、一种用于在一包括一对相隔一间隙的电极的模块内在一气体中产生离子的方法，所述方法包括如下步骤：

对所述电极施加交流离子化电压，以在电极之间的所述间隙内产生正离子及负离子；及

选择交流离子化电压的频率，以基本上在所述间隙内的中间处确定所述正离子及负离子。

2、如权利要求1所述的方法，其包括：

将所述所产生离子的迁移率考虑在内来选择所述离子化电压的幅值，以使所述离子化电压的所述频率确定为：

                              μ*V(t)/G²

其中μ为所述离子迁移率，V(t)为所述离子化电压的所述幅值，且G为电极之间所述间隙的尺寸。

3、如权利要求1所述的方法，其包括：

选择所述离子化电压的所述频率以基本按下式确定所述所产生离子在所述间隙内的驻留时间：

                          f＝¹/₂T，

其中f为频率，且T为离子驻留时间。

4、如权利要求1所述的方法，其包括：

选择性地使所述所产生离子自所述间隙内移动出。

5、如权利要求4所述的方法，其包括：

引入流动气体穿过所述间隙，以在所述流动气体中将所产生的离子自所述间隙内传送出。

6、如权利要求4所述的方法，其包括：

响应于一设置于所述间隙附近的带电物体的一静电场而使所述所产生的离子自所述间隙内移动出。

7、如权利要求1所述的方法，其中所述交流离子化电压电容性地耦合至所述对电极中的至少一个以使所述间隙内正离子与负离子的产生自平衡。

8、如权利要求5所述的方法，其包括使所述气体以基本不受阻碍的流量穿过所述间隙。

9、如权利要求5所述的方法，其中所述间隙在空气动力学上构造成使所述流动的气体基本不受阻碍地从其穿过。

10、一种用于在一气体中产生一正离子及负离子供应源的设备，所述设备包括：

一模块，其包括一对相隔一具有所选尺寸的间隙的电极；

一耦合至所述电极对的交流离子化电压源，其用于以一所选频率向所述电极对提供极性交替变化的时变电压，所述所选频率用于产生基本上集中于所述间隙内的中间处的正离子及负离子。

11、如权利要求10所述的设备，其中所述频率选择为：

                            μ*V(t)/G²，

其中μ为所述气体中的离子迁移率，V(t)为所述时变离子化电压的幅值，且G为所述间隙的尺寸。

12、如权利要求10所述的设备，其中所述源以一频率来提供交流离子化电压，以基本上按下式确定所产生离子在所述间隙内的驻留时间：

                          f＝1/2T，

其中f为频率，且T为驻留时间。

13、如权利要求10所述的设备，其包括：

一用于将所产生离子自所述间隙内传送出的流动气体源。

14、如权利要求13所述的设备，其中所述流动气体为空气；并包括一相对于所述间隙设置的风扇以在一流动的空气流中将所产生的离子自所述间隙内传送出。

15、如权利要求10所述的设备，其中所述间隙设置于一带电物体附近以使所产生的离子响应于所述带电物体的一静电场而自所述间隙内移动出。

16、如权利要求10所述的设备，其包括所述交流离子化电压源与所述电极对中至少一个电极之间的电容性耦合，以向所述电极提供极性交替变化的时变电压，从而使所述间隙内正离子与负离子的产生自平衡。

17、如权利要求10所述的设备，其中所述间隙在空气动力学上构造成使流动的气体基本不受阻碍地从其穿过。

18、一种用于产生正离子及负离子的设备，其包括：

用于形成一间隙的电极构件；

耦合至所述电极构件的源构件，其用于以一所选频率向所述电极构件提供交流离子化电压，在所述所选频率下使所产生的离子基本保持处于所述间隙内的中间处。

19、如权利要求18所述的设备，其中所述频率选择为：

                             μ*V(t)/G²，

其中μ为离子迁移率，V(t)为所述离子化电压，且G为所述间隙的尺寸。

20、如权利要求18所述的设备，其中所述源构件以电容性方式耦合至所述电极构件。

21、如权利要求18所述的设备，其中所产生的离子选择性地自所述间隙内传送出。

22、如权利要求21所述的设备，其中响应于一设置于所述间隙附近的静电场而传送所述所产生的离子。

23、如权利要求21所述的设备，其包括用于使流动气体穿过所述间隙的构件，以用于在所述流动气体中将所产生的离子自所述间隙内传送出。

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