JP2007513484A - コロナ放電電極およびその動作方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は以下の特許出願において出願人が記載している技術に向けられている:静電流体加速器と題される、1999年10月14日に出願された米国特許出願第09/419,720号であって、現在は2003年1月7日に発行された米国特許第6,504,308号;スパーク管理方法および装置と題される、2002年7月3日に出願された米国特許出願第10/187,983号;流体の流れの静電流体加速制御のための方法および装置と題される、2002年6月21日に出願された米国特許出願第10/175,947号;流体の流れを制御するための静電流体加速器および方法と題される、2002年7月3日に出願された米国特許出願第10/188,069号;流体流れを制御するための静電流体加速器と題される、2003年1月28日に出願された米国特許出願連続番号第10/352,193号;および静電流体加速器と題され、2002年11月18日に出願された米国特許出願第10/295,869号であって、1998年10月16日に出願された米国仮出願連続番号第60/104,573号。これらすべてを、全体としてここに引用により援用する。
発明の分野
本発明は電気コロナ放電のための装置に関し、特に空気のような流体や他の流体などの移動および制御のためにイオンおよび電界を生成するコロナ放電技術の使用に関する。
いくつかの特許(たとえばShannon他の米国特許第4,210,847号およびSpurginによる第4,231,766号参照)は、電極(「コロナ電極」と呼ぶ)を用いたイオン生成を記載し、これはイオンを別の電極(「加速」、「収集」または「ターゲット」電極と呼び、このいずれか示される場合は特に特定しない限りまたはその使用内容から明らかでない限り、他のものを含む)に加速し、それにより加速電極に向かう方向においてイオンに運動量を与える。イオンとたとえば周囲の空気分子のような介在する流体との間の衝突により、イオンの運動量を流体に与えて、流体に対応する運動を引起して所望な流体の方向において全体の運動量を達成する。
本発明の一局面に従い、コロナ放電装置の動作方法は、コロナ電極のすぐ近傍に高強度
の電界を生成するステップと、コロナ電極に形成された不純物の望ましくない影響を緩和するのに十分な温度にコロナ電極の少なくとも一部分を加熱するステップとを含む。
今までの電極クリーニングシステムおよび方法は電極材料の劣化を防止しないことがわかっている。さらにコロナ放電被覆(たとえば、電極の外面層)においていくつかの異なる化学反応が起こることがわかっている。これらの化学反応はコロナ電極の急速な酸化を引起し、それにより図1に示されるように電気的抵抗を開始値の3倍以上に増加させる。これらの酸化物を単に機械的に取除くだけでは電極材料の一部分をも取除いてしまうという望ましくない結果となり、電極の機械的健全性および性能が必然的に低下してしまう。
一般的に用いられる材料は実質的により高いオゾン濃度をもたらし、高出力の用途には、すなわちコロナ電流が所与の電極の形状(geometry)、構成および動作条件に対して最大値近くで維持される場合には、用いることができない。このような場合、オゾン生成は最大の安全レベルおよび/または許容レベルを急速に超えてしまうかもしれない。
の化学式によって説明できる:
4Ag(s)+O2(g)→2Ag2O(s)
反応に対する標準状態のエンタルピー(DHorxn)およびエントロピー(DSorxn)変化はそれぞれ−62.2kJおよび−0.133kJ/Kであり、反応は発熱反応であり、反応のエントロピーは負である。この反応において、エントロピーおよびエンタルピー条件は相容れない。反応に作用するエンタルピー条件は自発的であるのに対して、反応に作用するエントロピー条件は非自発的である。こうして、反応が起こる温度は自発性を決定する。反応の標準的ギブスの自由エネルギ(DGorxn)は次のように計算できる:
ΔGo rxn=ΔHo rxn−TΔSo rxn
標準状態のエンタルピーおよびエントロピー変化ならびに298°Kの標準状態温度を代入すると次のようになる:
ΔGo rxn=−62.2kJ−(298K)(−0.133kJ/K)
ΔGo rxn=−22.6kJ
ΔGo rxn<0なので、酸化反応は以下の室温で自発的である:
T=ΔHo rxn/ΔSo rxn
T=(−62.2kJ)/(−0.133kJ/K)
T=468K
したがって、T<468Kでは進行する酸化反応は自発的であり、T=468Kでは反応は平衡であり、T>468Kでは反応は非自発的である、または逆の反応(すなわち、還元または酸素の除去)は以下のように自発的である:
2Ag2O(s)→4Ag(s)+O2(g)
したがって、約200℃への加熱は銀酸化物を銀に戻す変換を開始させ、より高い温度は反応をさらに助成する。同時に、より高い温度は埃や粉などのような他の汚染物質をもなくし、これは汚染物質をその燃焼温度に加熱することによる(たとえば、多くの一般的な病原体および他の汚染物質に対しては250℃以上)。
できる動作が続くような十分な空気浄化を与えることができる。
P=V2/R=I2×R
ここでPはワットまたはジュール/秒で表わされる。
P=Δt(Cp×ρ×V)
ここでPはワットで表わされ、Δtはケルビン(または摂氏)度の温度変化であり、Cpはグラムケルビン温度当たりのジュールで表わされる比熱であり、ρはcm3当たりのグラムで表わされる密度であり、Vはcm3での体積である。
2のコロナ電極は、ワイヤの温度を300℃に上げるために以下の電力が必要である:
1.ワイヤ表面面積
2.放散電力
3.気流の速度
4.ワイヤの色、
5.温度
6.インクロージャ内での熱蓄積
7.いくつかの些細なファクタ
以下の3つの式はこれらのファクタのほんの一部しか考慮していない。
A=接触表面の面積,ft2
d=深さ(厚さ),in.
H=熱の流れ,Btu/hr
k=伝導係数,Btu−in./hr−ft2−°F
(tH−tL)=温度差,°F
H=kA(tH−tL)/d
対流による伝熱
A=接触表面の面積,ft2
H=熱の流れ,Btu/hr
h=対流係数Btu/hr−ft2−°F
(tH−tL)=温度差,°F
H=hA(tH−tL)
輻射放出による伝熱(または損失)
A=接触表面の面積,ft2
H=熱の流れ,Btu/hr
T=絶対温度,OR
e=放射係数
H=0.174E−08eAT4
変数の数が多いので、正確な電力の計算は非常に難しくかつ複雑である。これに対して、電力および温度の測定値は比較的容易に得られるので、比抵抗熱係数に基づく実験的技法を用いてワイヤの温度を計算して所要電力を定めるのが好ましい。たとえば、ワイヤ長さ1インチ当たりのワットで表わされる必要な電力放散を測定することによる。たとえば、本発明の好ましい実施例は長さ1インチ当たり1.5Wで加熱される、直径が約4ミルまたは0.1mm(アメリカンワイヤゲージ38番)のワイヤを用いる。この実施例は比較的高い抵抗材料、好ましくはステンレス鋼や銅のような金属、より好ましくはInconel(登録商標)(NiCrFe:Ni76%;Cr17%;Fe7%;ρ=103μΩ−cm)のような合金からなる固体または中空のコアを有する銀めっきされたワイヤに依拠している。他のコア材料としてはニッケル、コバール、デュメット、ニッケル−銅合金、ニッケル−鉄合金、ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼、タングステン、ベリリウム銅、リン青銅、黄銅、モリブデン、マンガニンを挙げることができる。銀めっきは適切な総合抵抗を与えるものが選択され、約1マイクロインチ(すなわち0.001ミルまたは0.025μm)から1000マイクロインチ(1ミルまたは25μm)の厚さを有し得る。たとえば、厚さが5から33マイクロインチ(すなわち約0.1から0.85μm)の銀膜を44番ゲージワイヤにめっきでき、25から200マイクロインチ(すなわち約0.5から5μm)のめっきを27番ゲージワイヤに使用することができ、より好ましくは10−55マイクロインチ(すなわち0.010から0.055ミルまたは約0.25から1.5μm)の範囲内の厚さの銀めっきを有する38番ゲージワイヤを用いることができる。1インチ当たり1.5Wの電気エネルギを用いると、長さ20インチのワイヤが適切なピーク温度を得るのに30Wの電気エネルギが必要になるのに対して、長さが40インチのワイヤは60Wを消費するが、これらの値は上記のパラメータおよびファクタに基づき変わり得る。しかし、一般的に導体の1インチ当たりに与えられる電力レベルが大きければ大きいほど酸化復元処理はより速く進む。たとえば、1インチ当たり1Wの電力レベルでは、酸化復元は約40秒かかるのに対して、1インチ当たり1.6Wでは約3秒に短縮される。
fに等しい。電荷の蓄積は、たとえばキャパシタを用いることによって実現できる、またはたとえばインダクタに磁気エネルギを蓄積してこの蓄えられたエネルギ量を電極に与えることによって実現できる。このような方法および構成を用いることにより、放電の頻度およびエネルギ量の両方が容易に制御できる。
ーク電力の20Wが必要となる。このような構成のさらなる利点は、各電極の加熱電力がより均一に配分できることである。
(i) 利用できる最大加熱電力;
(ii) 流体の短期のまたは連続する加熱の許容差/所望性;
(iii) スイッチングの構成およびコスト、ならびに加熱電力配分;
(iv) 電極のサブセットに対するクリーニング動作の際に装置を続けさせるための要件。
。別のオプションとして、所定の電流を隔離された電極に選択的に方向付けることができる。電極の抵抗は電極にかかる電圧降下に基づき計算される。
緒に接続され、各他方端はそれぞれのスイッチ209に接続され、そこからHPS208からの電力が与えられる。すなわち、すべてのスイッチ209はHPS208の1つの端子に接続される。HPS208の別の端子はコロナ電極202の共通点、たとえばバス203に接続される。従来の機械的スイッチとして一般的に示されるが、スイッチ209として適切なスイッチングまたは電流制御装置もしくは機構、たとえばSCR、トランジスタなどを用いることができる。
に説明)。複合構造の場合、適切な全体の電気抵抗と過度の電流を必要とすることなく電極の抵抗加熱とを与えるためにコアおよび外部層材料を選択することができる。加熱の際の電極の変形を避けるために、および各クリーニングサイクルの際のワイヤに繰返される加熱および冷却によって引起される、ストレスおよび疲労による故障を最小限にするために、熱膨張も考慮に入れることができる。
ル、コバール、デュメット、ニッケル−銅合金、ニッケル−鉄合金、ニッケル−クロム合金、ベリリウム銅、リン青銅、黄銅、モリブデン、マンガニンを挙げることができる。本発明の好ましい実施例において、外部層802はめっき銀であるが、上述のように鉛、亜鉛、カドミウム、およびその合金からなる他の金属も用いることができる。電極800は実質的に円筒形の形状を有するように示されているが、他の形状も用いることができる。これは平坦な外面(たとえば円錐部)、多角形の断面(たとえば矩形の立方体)および不規則な表面を有するものも含む。
Claims (33)
- コロナ放電装置の動作方法であって、
コロナ電極のすぐ近傍に高強度電界を生成するステップと、
前記コロナ電極に形成された不純物の望ましくない影響を緩和するのに十分な温度にコロナ電極の少なくとも一部分を加熱するステップとを含む、方法。 - 前記コロナ電極の前記一部分は、銀、鉛、亜鉛、およびカドミウムからなるグループから選択された金属、または当該金属を含む合金を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記コロナ電極の前記一部分は以下の式によって与えられる温度Tになるよう加熱され:
T>ΔHo rxn/ΔSo rxn
ここで前記コロナ電極の表面材の酸化過程について、ΔHo rxnは標準状態エンタルピー(Dhorxn)変化であり、ΔS0 rxnは標準状態エントロピー変化である、請求項1に記載の方法。 - 前記高強度電界を生成するステップは、前記コロナ電極からコロナ放電を引起すのに十分な電圧を前記コロナ電極に印加するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記加熱するステップは連続的に行なわれる、請求項1に記載の方法。
- 前記高強度電界を生成するステップおよび前記加熱するステップは同時に行なわれる、請求項1に記載の方法。
- 前記加熱するステップは周期的に行なわれる、請求項1に記載の方法。
- 前記高強度電界を生成するステップおよび前記加熱するステップは重複しない、請求項1に記載の方法。
- 前記コロナ電極の前記一部分は空気の影響によって酸化される材料および/またはこのような材料を含む合金を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記周期的に加熱するステップは、前記コロナ電極の特性を監視し、それに応答して前記コロナ電極の前記一部分を加熱するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記特性は前記コロナ電極またはその電極の一部分の電気抵抗率である、請求項10に記載の方法。
- 前記特性は前記コロナ電極またはその電極の一部分の電気導電率である、請求項10に記載の方法。
- 前記周期的に加熱するステップは、前記コロナ電極の所定の電気的特性を検出することに応答して前記コロナ電極の加熱を終了させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電気的特性は抵抗率、導電率、共振周波数、および電磁的磁化率からなるグループから選択された特性を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記周期的に加熱するステップは、前回の加熱サイクルからの時間を測定し、所定の時間の経過に応答して前記コロナ電極の前記一部分を加熱するステップを含む、請求項1に
記載の方法。 - 前記周期的に加熱するステップは、現在の加熱サイクルの時間を測定し、所定の時間の満了に応答して現在の加熱サイクルを終了させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記周期的に加熱するステップを開始する前に前記生成するステップを終了させ、前記周期的に加熱するステップが完了すると、前記高強度電界を生成するステップを再開するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- コロナ放電装置の動作方法であって、
複数のコロナ電極のすぐ近傍に高強度電界を生成するステップと、
コロナ電極クリーニングサイクルの開始を示す条件を検出するステップと、
コロナ電極の少なくとも一部分について前記高強度電界を生成するステップを終了させるよう、前記コロナ電極の当該部分への高電圧の印加を中断するステップと、
前記コロナ電極の前記部分に形成された不純物の少なくとも一部がなくなることをもたらす温度に上げるのに十分な加熱電流を前記コロナ電極の前記部分に与えるステップと、
前記コロナ電極の前記部分に対して高強度電界の生成を続けるように、前記高電圧を前記コロナ電極の当該部分に再度印加するステップとを含む、方法。 - 前記複数のコロナ電極は複数の前記部分に分けられ、前記加熱電流を与えるステップは前記部分の各々に対して繰返される、請求項18に記載の方法。
- 前記コロナ電極の前記部分の各々への前記加熱電流の前記繰返される印加は、前記コロナ電極のいずれかの前記部分に前記高電圧を再度印加するステップの前に、前記複数のコロナ電極すべてに対して達成される、請求項18に記載の方法。
- 前記複数のコロナ電極は複数の前記部分に分けられ、前記高電圧の印加を中断するステップ、前記加熱電流を与えるステップ、および前記高電圧を再度印加するステップは、前記コロナ電極の前記部分の各々に対して続いて行なわれ、一時期において前記コロナ電極の一つの部分に対して前記高電圧は中断されかつ前記加熱電流が与えられて、他の部分は前記高電圧が印加され続ける、請求項18に記載の方法。
- コロナ放電装置であって、
a.高強度電界を生成するコロナ電極に接続される高圧電源と、
b.前記コロナ電極を抵抗加熱するために前記コロナ電極に接続される低圧電源と、
c.前記高圧電源および低圧電源を前記コロナ電極と選択的に接続するための制御回路とを含む、コロナ放電装置。 - 前記コロナ電極は銀、鉛、亜鉛、およびカドミウムからなるグループから選択された表面材を含む、請求項22に記載のコロナ放電装置。
- 前記低圧電源は前記電極が以下の式によって与えられる温度Tとなるよう構成され:
T>ΔHo rxn/ΔSo rxn
ここで前記コロナ電極の表面材の酸化過程について、ΔHo rxnは標準状態エンタルピー(Dhorxn)変化であり、ΔSo rxnは標準状態エントロピー変化である、請求項22に記載のコロナ放電装置。 - タイマをさらに含み、前記制御回路は前記タイマに応答して前記低電圧を前記コロナ電極に周期的に印加する、請求項22に記載のコロナ放電装置。
- 前記制御回路はスイッチを含む、請求項22に記載のコロナ放電装置。
- 前記コロナ電極の状態の表示を与えるよう構成された測定回路をさらに含み、前記制御回路は前記表示に応答して前記低電圧を前記コロナ電極に印加する、請求項22に記載のコロナ放電装置。
- 前記測定回路は前記コロナ電極の電気抵抗を示す、請求項27に記載のコロナ放電装置。
- 前記低圧電源は制御された量の電力を前記コロナ電極に与えるよう構成される、請求項22に記載のコロナ放電装置。
- 前記低圧電源は制御された量の電磁エネルギを周期的に蓄積して前記コロナ電極に出力するよう構成される、請求項22に記載のコロナ放電装置。
- 前記低圧電源はフライバック電力コンバータを含む、請求項22に記載のコロナ放電装置。
- コロナ放電を生成する方法であって、
コロナ電極の近傍に高強度電界を生成するステップと、
コロナ放電の副生物の生成を減じる化学反応を用いて前記コロナ電極の初期のコロナ電極材の一部分を変換するステップと、
コロナ電極材の変換された部分を初期のコロナ電極材に戻すのに十分な温度にコロナ電極を加熱するステップを含む、方法。 - 前記コロナ放電の副生物はオゾンを含む、請求項32に記載の方法。
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