KR101951682B1

KR101951682B1 - 마이크로펄스 바이폴라 코로나 이온화기 및 방법

Info

Publication number: KR101951682B1
Application number: KR1020137021728A
Authority: KR
Inventors: 레슬리 웨인 파트리지
Original assignee: 일리노이즈 툴 워크스 인코포레이티드
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2019-02-25
Also published as: US20120200982A1; EP2673092A1; KR20140010043A; JP6018088B2; CN103501914A; JP2014507777A; WO2012109206A1; TWI458213B; US8885317B2; CN103501914B; EP2673092B1; TW201236291A

Abstract

적어도 하나의 펄스 열 쌍(pulse train pair)(18)을 이온화기(10)의 이미터(12)에 제공하는 것을 포함하는 정전하 중화(static charge neutralization)를 위한 솔루션이 개시된다. 펄스 열 쌍(18)은 차례대로 교호하는 양의 펄스 열(30)과 음의 펄스 열(32)을 포함하도록 배치된다. 양의 펄스 열(30)은 이온화 양 전압 파형(64)을 포함하고, 음의 펄스 열(32)은 이온화 음 전압 파형(84)을 포함한다. 이들 이온화 양 및 음 전압 파형들(64, 84)은 이온화기(10)의 레퍼런스 전극(14)과 이미터(12)에 걸친 전압 변화도(voltage gradients)를 교호 생성하고, 코로나 방전에 의한 양(34) 및 음 이온들(36)을 포함하는 이온 클라우드(40)를 생성한다.

Description

마이크로펄스 바이폴라 코로나 이온화기 및 방법{MICROPULSE BIPOLAR CORONA IONIZER AND METHOD}

본 발명은 대전된 물체(charged object)에 대한 양 및 음의 정전하들(static charges)을 감소시키거나 또는 중화(neutralizing)시키기 위한 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기(micro-pulse bipolar corona ionizer)에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 이온 평형 제어 회로(ion balance control circuit)를 갖는 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기; 스파크 서지 억제기(spark surge suppressor) 및 코로나 활성 회로(corona activity circuit); 상대적으로 낮은 이미터 오염률(rate of emitter contamination); 오존, 및 질소산화물 등과 같은 상대적으로 낮은 코로나 부산물 방출(corona-byproducts emission); 또는 이들 특징들의 임의의 결합에 관한 것이다.

AC 코로나 이온화기들은 대전된 물체들의 정전하 중화를 위해 보편적으로 사용된다. 하지만, 이들 이온화기들은 대기 중의 오존 및 질소산화물 방출과 같은 상대적으로 높은 코로나 부산물 방출, 및 주위 환경으로부터의 높은 이미터 오염률을 가지는 경향이 있다. 이미터 오염은 이온화 효율을 감소시키고, 이온 평형에 영향을 미칠 수 있으며, 오존은 알려진 건강에 유해한 물질(health hazard)이다. 따라서, 상대적으로 낮은 이미터 오염률, 상대적으로 낮은 오존 방출, 이온 평형 제어, 또는 이들의 임의의 결합을 갖는 정전하 중화를 위한 솔루션에 대한 필요가 존재한다.

본 발명은 상대적으로 낮은 이미터 오염률, 상대적으로 낮은 오존 방출, 이온 평형 제어, 또는 이들의 임의의 결합을 갖는 정전하 중화를 위한 솔루션을 제공하고자 한다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 펄스 열 쌍을 이온화기의 이미터에 제공하는 것을 포함하는 정전하 중화를 위한 솔루션이 개시된다. 펄스 열 쌍은 차례대로 교호하는 양의 펄스 열과 음의 펄스 열을 포함하도록 배치된다. 양의 펄스 열은 이온화 양 전압 파형을 포함하지만, 음의 펄스 열은 이온화 음 전압 파형을 포함한다. 이들 이온화 양 및 음 전압 파형들은 이온화기의 레퍼런스 전극과 이미터에 걸친 전압 변화도(voltage gradients)를 교호 생성하고, 코로나 방전(corona discharge)에 의한 양 및 음 이온들을 포함하는 이온 클라우드(ion cloud)를 생성한다.

본 발명의 다양한 대안의 실시예들이 또한 개시되며, 이들은 이온 평형 제어 회로, 스파크 서지 억제기 및 코로나 활성 제어, 또는 이들 회로들의 임의의 결합을 포함한다.

본 발명을 통해 상대적으로 낮은 이미터 오염률, 상대적으로 낮은 오존 방출, 이온 평형 제어, 또는 이들의 임의의 결합을 갖는 정전하 중화를 위한 솔루션이 제공된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기의 간소화된 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양의 펄스 열과 음의 펄스 열을 포함하는 각각의 펄스 열 쌍을 갖는 일련의 펄스 열 쌍들에 대한 오실레이터 스크린 샷(oscillator screen shot).
도 3a은 본 발명의 실시예에 따라, 시간( T )에 따른 펄스 열 쌍을 포함하는 양 및 음의 펄스 열들의 시퀀스를 블록도의 형태로 도시하는 도면.
도 3b는 본 발명의 한 대안의 실시예에 따라, 시간( T )에 따른 펄스 열 쌍을 포함하는 양 및 음의 펄스 열들의 시퀀스를 블록도의 형태로 도시하는 도면.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 펄스 열 쌍의 일부분을 형성하는 양의 펄스 열에 대한 오실레이터 스크린 샷.
도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 열 쌍의 일부분을 형성하는 음의 펄스 열에 대한 오실레이터 스크린 샷.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기의 회로도.
도 5b는 도 5a에 도시된 펄스들에 대한 확장된 예시도.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 적어도 하나의 펄스 열 쌍을 이미터에 제공함으로써, 코로나 방전에 의한 바이폴라 이온들을 생성하기 위한 방법을 도시하는 도면.
도 6b는 본 발명의 한 대안의 실시예에 따라 앞의 도 6a에 개시된 방법에 대한 선택적이며 추가적인 단계들을 도시하는 도면.

다음의 상세한 설명에서, 예시의 목적을 위해, 본 발명의 다양한 실시예들의 충분한 이해를 제공하기 위한 많은 특정의 세부사항들이 열거된다. 당업자는 본 발명의 이러한 다양한 실시예들이 예시적일 뿐이며, 어떤 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 깨달을 것이다. 본 발명의 다른 실시예들은 이들 자체를 본 개시사항의 이익을 갖는 당업자에게 쉽게 제안할 것이다.

또한, 명료함의 목적을 위해, 본 명세서에 설명된 실시예들의 일상적인 특징들(routine features) 모두가 도시 및 설명되는 것은 아니다. 당업자는, 이러한 임의의 실질적인 구현의 개발에 있어서, 특정의 설계 목적들을 성취하기 위해 많은 구현-특유의 결정들(implementation-specific decisions)이 요구될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 이들 설계 목적들은 구현마다, 그리고 개발자마다 다를 것이다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하며 시간이 걸릴 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시사항의 이익을 갖는 당업자에 대한 일상적인 기술 사업(routine engineering undertaking)일 것임이 이해될 것이다.

도 1은 이온화 전극, 즉 이미터(12)를 사용하는 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기(10); 레퍼런스 전극(14)으로서 사용되는 전도성 소자(conductive element) 또는 구조; 적어도 하나의 전압-교류(voltage-alternating) 펄스 열 쌍(18)을 이미터(12)에 제공하도록 배치된 전원 공급 장치(16); 가스의 유량(flow)(22)을 제공하도록 배치된 가스 소스(20); 또 다른 전극(26), 즉 이온 평형 전극, 및 접지와 같은 공통의 레퍼런스 버스(common reference bus)(29)에 전기적으로 연결된 이온 평형 회로(24); 및 레퍼런스 전극(14) 및 공통의 레퍼런스 버스(29)에 연결된 코로나 활성 회로(28) 및 스파크 서지 억제기를 개시한다. 전원 공급 장치(16)는 공통의 레퍼런스 버스(29), 공통의 레퍼런스 버스(29)를 통한 레퍼런스 전극(14), 및 이미터(12)에 전기적으로 연결된다. 펄스 역 쌍(18)은 이미터(12)에 의해, 그리고 공통의 레퍼런스 버스(29)를 통한 레퍼런스 전극(14)에 의해 수신된다.

도 2에서 확인되는 바와 같이, 펄스 역 쌍(18)은 계속해서 차례대로 교호하는 양 및 음의 펄스 열들(30 및 32)을 포함한다. 상부 점선(44)은 4.5kV와 같은 양의 코로나 임계 전압을 나타내며, 하부 점선(46)은 (-)4.25kV와 같은 음의 코로나 임계 전압을 나타낸다. 각각의 양의 펄스 열(30)은 코로나 방전에 의한 양 이온들을 생성하기 위해 전압 임계를 초과하는 최대 양 전압 진폭을 갖는 이온화 양 전압 파형을 포함하도록 배치된다. 유사하게도, 음의 펄스 열(32)은 코로나 방전에 의한 음 이온들을 생성하기 위해 전압 임계를 초과하는 최대 음 전압 진폭을 갖는 이온화 음 전압 파형을 포함하도록 배치된다. 따라서, 이들 각각의 양 및 이온화 음 전압 파형들은 레퍼런스 전극(14)과 이미터(12) 사이의 공간(38)에 걸친 전압 변화도를 교호 생성하여, 코로나 방전에 의한 양(34) 및 음 이온들(36)을 포함하는 이온 클라우드를 생성한다.

양 및 음의 펄스 열들을 각각 사용하는 펄스 열 쌍들의 계속적인 시퀀스(serial sequence)를 사용하는 것은 적어도 하나의 이미터 전극을 위한 효율적인 바이폴라 이온화를 제공한다. 펄스 열 쌍들의 수는 도 1의 가스 유량(22) 및 이미터(12)와 같은 이미터에 걸쳐 블로잉되거나(blown) 또는 제공된 가스의 유속(flow rate)에 따라, 타깃 오브젝트(target object)에 대한 정전하 중화 또는 방전을 최대화하도록 조정될 수 있다. 각각의 펄스 열(18)에 대한 반복률(repetition rate)은 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 반복률은 도 2에 개시된 실시예를 위해 바람직한 전력 레벨에 따라 조정될 수 있으며, 0.1% 내지 1%의 듀티 팩터(duty factor)로 초당 1 내지 수천 회(times)의 범위로 셋팅될 수 있다. 용어 듀티 팩터는 또한 본 명세서에서 펄스 열 시간 주기(period)(48)와 같은 펄스 열 시간 주기당 펄스 열 전력 오프(power off)에 대한 펄스 열 전력 온(power on)의 유효율(effective ratio)로서 지칭될 수 있다. 0.1% 내지 1%의 듀티 팩터를 사용하는 것은 매우 짧은 코로나 방전을 생성하며, 오존 방출과 이미터 오염률을 감소시킨다. 본 명세서에서 개시된 본 발명의 다양한 실시예들은 코로나 방전에 의한 이온들을 생성하기 위해 고 주파수 고-전압 교류 전류를 사용하는 다른 유형의 알려진 이온화기들의 3 내지 5배인 약 10 내지 15 파츠 퍼 빌리언(ppb: parts per biilion)의 농도(concentrations)의 오존 방출을 산출한다. 본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 또한 이온화기 이미터(들)에 대한 파티클 어트랙션(partcle attraction)의 비율을 매우 감소시키며, 또한 이미터(들)의 오염률을 감소시킨다.

펄스 열 쌍(18) 내의 양 및 음의 펄스 열들(30 및 32)의 계속되는 교호 순서(alternating serial order)는 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 도 3a에서 펄스 열(18)은 계속되는 교호 시퀀스에 있어서 양의 펄스 열(30) 다음에 음의 펄스 열(32)을 포함하도록 배치된다. 대안적으로, 도 3b에 도시되는 바와 같이, 펄스 열(18)은 계속되는 교호 시퀀스에 있어서 음의 펄스 열(32) 다음에 양의 펄스 열(30)을 포함하도록 배치될 수 있다. 양 및 음 이온들(34 및 36)은 본 명세서에서 바이폴라 이온 클라우드(40)로서 공동으로 지칭될 수 있다. 바이폴라 이온 클라우드를 생성하기 위해 펄스 열 쌍들을 사용하는 코로나 이온화기는 본 명세서에서 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기(10)로서 지칭될 수 있다.

이미터(12)는 전도성 와이어(conducting wire)의 루프로 형성될 수 있지만, 이미터 와이어의 루프의 사용은 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 뾰족한 전극(pointed electrode) 또는 다른 등가물들(도시되지 않음)과 같은 임의의 이미터 형상은 대안으로서 사용될 수 있다. 이미터(12)는 코로나 방전에 의한 이온들에 대한 생성을 포함하여, 본 명세서에서 설명된 특징들을 지원하도록 요구되는 방식으로 전기를 도통할 수 있는 임의의 유형의 전극 재료(electrode material)로 제조될 수 있다. 따라서, 이미터(12)는 다양한 재료들의 결합으로 제조될 수 있으며, 이들 중 일부는 반도체와 같은 순수 전도체(purely conductive), 절연체(insulating), 또는 이들 재료들의 임의의 결합이 아닐 수 있다.

레퍼런스 전극(14)은 전도성 팬 가드(conducting fan quard)의 형태로 구현되지만, 이러한 구조의 사용은 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 개별적인 비-전도성 또는 전도성 팬 가드는 개별적으로 형성된 레퍼런스 전극과 결합하여 사용될 수 있다. 유사하게도, 이온 평형 전극(26)은 전도성 팬 가드를 사용함으로써 구현되지만, 이러한 구조의 사용은 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 한 대안의 실시예(도시되지 않음)로서, 개별적인 팬 가드는 이온 평형 전극(26)과 결합하여 사용될 수 있다. 이온 평형 전극(26)은 전기적으로 전도성 또는 반-전도성 표면을 갖는 임의의 전극을 사용하여 구현될 수 있으며, 타깃 위치(42)와 바이폴라 이온 클라우드(40)가 코로나 방전에 의해 생성되는 위치 사이의 위치와 같은, 바이폴라 이온 클라우드(40)가 통과할 위치에 배치될 수 있다. 바이폴라 이온 클라우드(40)는 일반적으로 코로나 방전에 의해 도 1에 도시된 특정 실시예에 대한 공간(38) 내에 생성된다. 양 및 음의 펄스 열들(30 내지 32)은 양 및 음의 마이크로-펄스들로서 각각 대안적으로 지칭될 수 있다.

가스 소스(20)는 양 및 음 이온들(34 및 36)의 혼합을 향상시키도록, 그리고 타깃 위치(42)에 바이폴라 이온 클라우드 밀도를 증가시키기 위해 타깃 위치(42)에 위치된 선택된 타깃 오브젝트(도시되지 않음)로 양 및 음 이온들(34 및 36)을 전달하기 위한 범위를 향상시키도록 사용될 수 있다. 도시된 실시예의 가스 소스(20)는 블로어(blower) 유형이며, 가스 유량(22)과 같이 이미터(12), 레퍼런스 전극(14), 및 이온 평형 전극(26)을 통해 공기 또는 가스를 이동시키기 위해 회전 팬(rotating fan)을 사용한다. 또한, 가스 소스(20)의 사용, 유형, 및 배치 위치는 어떠한 방식으로든 본 개시사항의 범주 및 사상을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 도시되지 않는 대안적인 실시예들로서, 가스 또는 공기가 우선적으로 이미터(12)를 통해, 그 다음으로 레퍼런스 전극(14)을 통해 블로잉 또는 강제되어, 타깃 위치(42)를 향할 수 있도록, 가스 소스(20)는 생략될 수 있거나, 또는 사용된다면, 이미터(12)의 앞에 배치될 수 있다.

게다가, 도시되는 바와 같이 팬-유형의 가스 소스가 사용될 수 있거나, 또는 대안적인 실시예들에서, 배관, 덕트, 플리넘(plenum), 또는 노즐, 이온화 바(ionizing bar)에 배치된 노즐들의 그룹, 이미터의 적어도 일부분을 둘러싼 노즐, 또는 유사한 것(도시되지 않음)을 통해 압축 가스 또는 공기가 제공될 수 있다. 또한, 가스 유량(22)의 구성은 공기, 질소, 다른 가스들, 또는 타깃 영역(42)으로의 바이폴라 이온 클라우드 전달을 위해 적절한 이들 가스들의 임의의 결합일 수 있다. 이온 평형 회로(24) 및 이온 평형 전극(26)은 코로나 방전에 의한 바이폴라 이온 클라우드(40)를 생성하는 동안 생성된 이온 전류의 평형을 잡도록 사용될 수 있다. 이온 평형 회로(24)는 이온 평형 전극(26), 공통의 레퍼런스 버스(29), 및 전원 공급 장치(16)에 연결된다. 이온 평형 회로(24)는 펄스 열 쌍(18)에 의해 생성된 양 및 음 전극들의 평형을 조정하기 위해, 전원 공급 장치(16)에 의해 수신 및 사용되는 신호(31)를 생성한다. 이온 평형 회로(24)는 작동 동안 패스트(past) 이온 평형 전극(26)을 흐르는 양 및 음 이온들로부터 유도되는 전압(33)을 측정함으로써 신호(31)를 생성한다. 전압(33)이 양인 경우, 신호(31)가 전원 공급 장치(16)로 하여금 양 이온들보다 많은 음 이온들을 생성하는 펄스 열 쌍(18)과 같은 적어도 하나의 펄스 열 쌍을 생성하게 하도록, 이온 평형 회로(24)는 신호(31)를 조정한다. 유사하게도, 전압(33)이 음인 경우, 전원 공급 장치(16)는 음 이온들보다 많은 양 이온들을 생성하는 적어도 하나의 펄스 열 쌍을 생성한다. 스파크 서지 억제기 및 코로나 활성 회로(28)는 레퍼런스 전극(14) 및 공통의 레퍼런스 버스(29)에 연결되며, 전압의 스파크가 레퍼런스 전극(26)과 공통의 레퍼런스 버스(29) 사이에서 일어날 때 발생할 수 있는 전류(도시되지 않음)를 분로(shunt)시킨다. 스파크 서지 억제기 및 코로나 활성 회로(28)는 또한 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기(10)에 의해 생성된 이온들의 양에 비례적으로 깜빡이는(blinks) 시각적인 인디케이터(visual indicator)를 제공한다.

본 개시사항을 과도하게 복잡하게 하는 것을 피하기 위해, 도 1에 도시되지 않은 또 다른 대안적인 실시예에서, 스파크 서지 억제기 및 코로나 활성 회로(28), 이온 평형 회로(24) 및 이온 평형 전극(26), 또는 이들 모두는 도 1에 도시된 실시예로부터 제거될 수 있다. 다른 대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 레퍼런스 전극(14)은 공통의 레퍼런스 버스(29)에 직접 연결될 수 있다.

도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 펄스 열 쌍의 일부분을 형성하는 양의 펄스 열(60)의 오실레이터 스크린 샷이다. 도 2 및 도 3a 및 도 3b를 참조하여 앞서 이전에 개시된 펄스 열 쌍(18)은 시간 주기(68)에 걸쳐 계속해서 일어나는 이온화 전압 파형(64) 및 비-이온화 전압 파형(62)과 같은 두 개의 비대칭 전압 파형들을 포함하는 펄스 열(60)을 포함하도록 배치될 수 있다. 비-이온화 및 이온화 전압 파형들(62 및 64) 다음에는 보다 작은 음 및 양 오실레이션(69)이 이어진다. 음 및 양 오실레이션(69)은 펄스 열(60)을 생성하도록 사용되는 전원 공급 장치의 회로 공진으로 인해 기인하며, 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 오실레이션(69)은 아래의 도 5a에 더 개시되는 바와 같이, 댐핑 회로의 사용으로 완전히 감소 또는 제거될 수 있다.

이온화 전압 파형(64)과 같은 비대칭 전압 파형들 중 적어도 하나는 위의 도 1을 통해 각각 개시된 공간(38), 이미터(12), 및 레퍼런스 전극(14)과 같이, 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기의 레퍼런스 전극과 이미터 사이의 공간 내에 이온들을 생성하기 위해 필요한 코로나 방전 전압 임계를 초과하는 최대 전압 진폭(70)을 가진다. 이온화 전압 파형(64)에 의해 생성된 이들 이온들은 예시에서 도시되는 양의 극성인 이온화 전압 파형(64)에 의해 사용된 전압과 동일한 극성을 가진다. 양 이온들을 생성하는 이온화 전압 파형은 또한 본 명세서에서 이온화 전압 파형(64)과 같은 "이온화 양 전압 파형"으로 지칭될 수 있다. 용어 "비대칭 전압 파형들"은, 코로나 방전에 의한 이온들을 생성하기 위해 필수적인 코로나 임계를 초과하는 최대 전압 진폭들 중 하나를 포함하여 상이한 최대 전압 진폭들을 가지며, 극성이 교호하는 순차적인 파형들의 전압 변조 프로파일(voltage modulation profile)을 설명한다. 예를 들어, 비-이온화 전압 파형(62)의 최대 진폭(72)은 이온화 파형(64)의 최대 진폭(70)의 극성(양)과 반대인 극성(음)을 가진다. 도시된 실시예에서 비-이온화 전압 파형(62)은 이온화 전압 파형(64) 이전에 발생하며, 코로나 방전에 의한 이온들을 생성하기에 충분하지 않은 최대 진폭(72)을 가진다. 코로나 방전에 의한 음 이온들을 생성하기에 충분하지 않은 음의 최대 전압 진폭을 갖는 비-이온화 전압 파형은 또한 본 명세서에서 비-이온화 전압 파형(62)과 같은 "비-이온화 음 전압 파형"으로서 지칭될 수 있다.

이온화 파형(64)과 같은 양 이온들을 생성하기 위해 필수적인 코로나 방전 전압 임계를 초과하는 양의 최대 전압 진폭을 갖는 파형인 이온화 양 전압 파형을 포함하는 도 4a의 펄스 열(60)과 같은 펄스 열은 본 명세서에서 "양의 펄스 열"로서 명명된다. 유사하게도, 도 3b의 이온화 파형(84)과 같은 음 이온들을 생성하기 위해 필요한 코로나 방전 전압 임계를 초과하는 음의 최대 전압 진폭을 갖는 파형인 이온화 음 전압 파형을 포함하는 도 3b의 펄스 열(80)과 같은 펄스 열은 본 명세서에서 "음의 펄스 열"로서 명명된다. 도 3a 또는 도 3b의 펄스 열 쌍(18)과 같은 전압-교류 펄스 열 쌍 내의 양 및 음 펄스 열들(60 및 80)의 시퀀스 순서는 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 도 3b에서, 펄스 열 쌍(18)은 음의 펄스 열(32) 다음에 양의 펄스 열(30)로 시작하는 펄스 열 시퀀스를 가진다.

비대칭 전압 파형들을 사용하는 것은 이온들을 생성하기 위한 효율적인 방법을 제공한다. 바이폴라 이온 클라우드는 가스 유량 또는 중첩된 전기장(superimposed electrical field)과 같이, 가해진 힘에 의해 쉽게 이동될 수 있는 이미터(12) 근처의 영역에서 오실레이팅한다. 이온 생성의 주기가 매우 짧기 때문에, 오존 및 질소산화물과 같은 코로나 부산물 방출은 최소화되고, 이미터(12)에 대한 오염률은 감소된다.

도 4a의 펄스 열(60)과 같이, 도 4b의 펄스 열(80)은 시간 주기(88)에 걸쳐 순차적으로 일어나는 이온화 전압 파형(84) 및 비-이온화 전압 파형(82)과 같은 두 개의 비대칭 전압 파형들을 포함하도록 배치된다. 이온화 전압 파형(84)과 같은 비대칭 전압 파형들 중 적어도 하나는 앞서 도 1에 각각 개시된 공간(38), 이미터(14), 및 레퍼런스 및 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기(10)와 같이, 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기의 레퍼런스 전극과 이미터 사이의 공간 내에 이온들을 생성하기 위해 필요한 코로나 방전 전압 임계를 초과하는 최대 전압 진폭(90)을 가진다.

비-이온화 및 이온화 전압 파형들(82 및 84) 다음에는 보다 작은 음 및 양 오실레이션들(89)이 이어진다. 음 및 양 오실레이션들(89)은 펄스 열(80)을 생성하도록 사용되는 전원 공급 장치의 회로 공진에 의해 생성되며, 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 감소 또는 제거될 수 있다. 이온화 전압 파형(84)에 의해 생성된 이온들은 예시에서 도시되는 음의 극성인 이온화 전압 파형(84)에 의해 사용되는 전압과 동일한 극성을 가진다. 비-이온화 전압 파형(82)의 최대 진폭(92)은 이온화 전압 파형(84)의 최대 진폭(90)의 극성(음)과 반대인 극성(양)을 가진다. 비-이온화 전압 파형(82)의 최대 진폭(92)은 코로나 방전에 의한 이온들을 생성하기에 충분하지 않다. 하지만, 이온화 전압 파형(84)은 또한, 코로나 방전에 의한 음 이온들을 생성할 수 있기 때문에, 본 명세서에서 "이온화 음 전압 파형"으로서 지칭될 수 있다.

사용된 전원 공급 장치의 구성에 따라, 비-이온화 전압 파형(62 또는 82)과 같은 비-이온화 전압 파형은 동일한 펄스 열 쌍에 대응하는 이온화 파형(64 또는 84)과 같은 다음의 이온화 파형의 상승 및 하강 슬루 레이트(rise and fall slew rates)보다 작은 상승 및 하강 슬루 레이트를 가진다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 비-이온화 전압 파형은 1 마이크로초와 24 마이크로초 사이의 주기와, 마이크로초당 각각 100 내지 1000 볼트의 범위에 이르는 상승 및 하강 슬루 레이트를 갖도록 배치될 수 있다. 이온화 전압 파형(64 또는 84)과 같은 이온화 전압 파형은 대략 마이크로초당 각각 1000 내지 5000 킬로볼트인 상승 및 하강 슬루 레이트와, 1 내지 12 마이크로초 사이의 전압 파형 폭을 가진다. 또한, 도 2 및 도 3a 및 도 3b에 대해 이전에 논의된 양의 펄스 열(30)과 같이, 도 4a의 양의 펄스 열(60) 각각은 양 이온들을 생성한다. 유사하게도, 도 2 및 도 3a 및 도 3b에 대해 이전에 논의된 음의 펄스 열(32)과 같이, 도 4b의 음의 펄스 열(80) 각각은 음 이온들을 생성한다.

도 5a는 와이어 이미터(122)를 사용하는 마이크로-펄스 이온화기(120), 레퍼런스 전극(124), 적어도 하나의 전압-교류 펄스 열 쌍(128)을 제공하도록 배치된 전원 공급 장치(126), 가스의 유량(도시되지 않음)을 제공하도록 배치된 가스 소스(130), 이온 평형 회로(132), 이온 평형 전극(134), 스파크 서지 억제기 회로 및 코로나 활성 회로(136)를 개시한다. 전원 공급 장치(126)는 접지(139)와 같은 공통의 레퍼런스 버스 및 와이어 이미터(122)에 전기적으로 연결되며, 작동 동안 펄스 열 쌍(128)을 와이어 이미터(122)에 출력하도록 배치된다. 펄스 열 쌍(128)은 펄스 열들의 계속되는 시퀀스를 포함한다. 각각의 펄스 열은 전압-교류 펄스 열 쌍(128) 내의 다른 펄스 열의 극성과는 반대인 극성을 가진다. 한 예시에서, 펄스 열 쌍(128) 및 그것의 쌍의 펄스 열들은 펄스 열 쌍(18), 펄스 열(60), 및 펄스 열(80)에 대해 앞서 이전에 설명된 동일한 기능과 특성들을 갖도록 각각 배치될 수 있다.

이미터(122), 레퍼런스 전극(124), 및 가스 소스(130)는 이미터(12), 레퍼런스 전극(14), 및 가스 소스(20)에 대해 앞서 설명된 것과 동일한 구조 및 기능을 갖도록 구현될 수 있다. 전원 공급 장치(126), 이온 평형 회로(132), 이온 평형 전극(134), 및 스파크 서지 억제기(136)는 앞서 이전에 개시된 전원 공급 장치(16), 이온 평형 회로(24), 이온 평형 전극(26), 및 스파크 서지 억제기 및 코로나 활성 회로(28)와 각각 동일한 기능들을 갖도록 구현될 수 있지만, 특정 회로 구조를 갖는 것으로 도 5a에 도시된다.

도 5a 및 도 5b를 참조해보면, 전원 공급 장치(126)는 상대적으로 짧은 펄스 기간(144)을 각각 갖는 저전압 펄스들의 세트(140)를 생성하는 타이머 회로(138), 펄스들의 세트(140)를 수신하도록 배치된 드라이브 회로(142), 및 1차 댐핑 회로(146)를 포함한다. 드라이브 회로(142)는, 두 개의 반전된 출력들을 가지며 "두 개의 지연 회로(dual delay circuit)"라고 명명된 D-유형의 플리플롭 회로(148); 스위칭 회로(150); 및 트랜지스터들(152 및 154)을 포함한다. 펄스들의 세트(140)는 도 5b에 더 도시된다. 타이머 회로(138) 및 드라이브 회로(142)는 본 개시사항에서 펄스 드라이브 회로(141)로서 공동으로 지칭된다. 타이머 회로(138)는 타이머 IC(155), 다이오드(156), 저항(158), 캐패시터(160), 및 저항(162)을 포함한다. 타이머 IC(155)는 캘리포니아주 산타 클라라의 국영 반도체(National Semiconductor of Santa Clara, California)로부터 이용 가능한 모델 번호 LMC555와 같은 임의의 구성 가능한 일반용 타이머를 사용함으로써 구현될 수 있다.

타이머 IC(155)는 클럭 출력(163)을 통해 구성 가능한 클럭 신호를 제공하도록 배치된 집적 회로이다. 본 실시예에서, 이들 클럭 신호들은 펄스들(140)로서 사용된다. 다이오드(156), 저항(158), 및 캐패시터(160)는 펄스(140)에 대한 펄스 기간(144)을 수립한다(도 4 및 도 5b 참조). 저항(162) 및 캐패시터(160)는 각각의 펄스(140)에 대한 반복률을 설정한다. 반복률은 펄스 주기(143)의 반전과 동일하다. 도시된 실시예에서, 다이오드(156)는 1N4248의 마킹 코드(marking code)를 갖는 다이오드를 사용하여 구현될 수 있지만, 저항들(158 및 162) 및 캐패시터(160)는 다음의 각각의 값들: 1500옴(ohms), 240킬로옴(K ohms), 및 0.01마이크로패럿(㎌: microfarads)을 가진다. LMC555의 사용, 타이머 회로(138)의 구성, 및 본 명세서에 개시된 수동적 소자들(passive elements)의 값들은 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에 설명된 펄스(140)와 같은 유형의 펄스들을 제공할 수 있는 한, 임의의 타이머 회로(138)가 사용될 수 있다. 비록 MOSFET-유형의 트랜지스터들의 사용이 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않을지라도, 트랜지스터들(152 및 154)은 n-채널 MOSFET 트랜지스터들을 사용하여 구현된다. 용어 저전압은 본 명세서에서 설명된 유형의 반도체 구성 요소들과 함께 사용하기에 적절한 임의의 전압이다. 비록 본 명세서에서 설명된 실시예에서 5 및 12 볼트들인 양의 저전압이 사용될지라도, 이러한 반도체 구성 요소 전압들은 현재 양이든 음이든 상관없이, 크기가 5 내지 12인 범위에 이른다.

두 개의 지연 회로(148)는 서로에 대해 반전된 두 개의 출력들을 갖는 D-유형의 플리플롭의 형태이다. 두 개의 지연 회로(148)는 캘리포니아주 산 호세의 페어차일드 반도체(Fairchild Semiconductor)로부터의 모델 번호 MM74C74를 사용하여 구현될 수 있다. 두 개의 지연 회로(148)는 두 개의 클럭 신호들을 스위칭 회로(150)에 제공하도록 구성된다. 스위칭 회로(150)는 애리조나주 피닉스의 온 반도체 주식회사(On Semiconductor Corporation of Pheonix, Arizona)로부터 이용 가능한 모델 번호 MC14081B와 같은, 도시된 방식으로 배열된 4개의 두 입력 AND 게이트들을 제공하는 보편적으로 알려진 집적 회로를 사용하여 구현될 수 있다.

두 개의 지연 회로(148) 및 스위칭 회로(150)는 트랜지스터들(152 및 154) 사이에서 각각의 펄스(140)를 교호 스위칭한다. 드라이브 회로(142)는 각각의 펄스(140)를 수신하고, 두 개의 지연 회로(148)로부터 클럭 입력(161)으로, 그리고 각각의 AND 게이트로부터 수신된 입력으로, 각각의 펄스(140)를 라우팅한다. 두 개의 지연 회로(148)로부터의 제1 출력(Q)은 두 개의 AND 게이트로부터의 입력들(165)에 연결되고, 두 개의 지연 회로(148)로부터의 제2 출력(반전된 Q)은 다른 두 개의 AND 게이트들로부터의 입력들(167)에 연결되며, 스위칭 회로(148)의 데이터 핀(data pin)에 라우팅된다. 프리셋(preset) 및 클리어(clear) 핀들은 12 볼트 소스에 연결된다.

전원 공급 장치(126)의 작동 동안, 그리고 생성된 각각의 펄스 열에 대해, 펄스 드라이브 회로(141)는 선택된 기간 동안 전류가 고전압 변압기(166)의 1차 코일(164)의 절반(one half)을 통해 흐르게 함으로써 충전 단계(charging stage)에 들어간다. 전류가 1차 코일(164)의 절반을 통과하는 시간 기간이 셋 바이(set by)되고, 이는 대략적으로 펄스(140)의 펄스 기간(144)과 등가적이다. 두 개의 지연 회로(148) 및 스위칭 회로(150)는 트랜지스터들(152 및 154) 사이에서 각각의 펄스(140)를 교호 스위칭한다. 1차 코일(164)의 중심 탭(165)으로부터 1차 코일 단부(169)를 통해 전류가 흐르게 하는 충전 단계(charging stage) 동안에 트랜지스터(152)의 게이트가 펄스(140)를 수신하여, 1차 코일(164)의 절반에 걸쳐 상대적으로 작은 음 전압 파형을 산출하고, 고전압 변압기(166)의 1차 코일(164) 및 공기 층(air spaces) 및 (포함된다면) 페라이트(ferrite)에 에너지를 저장할 때, 전원 공급 장치(126)는 도 2 및 도 4a의 양의 펄스 열(30 또는 60)과 같은 양의 펄스 열의 비대칭 파형을 각각 생성한다.

권선비(turns ratio)를 통해, 변압기(166)는 이러한 작은 음 전압 파형을 확대하고, 2차 코일(170)에 걸쳐 확대된 음 전압 파형을 산출한다. 이러한 확대된 음 전압 파형은 각각 도 4a의 비-이온화 음 전압 파형(62) 및 양의 펄스 열(60)과 같은 양의 펄스 열의 일부분을 형성하는 비-이온화 음 전압 파형으로서 와이어 이미터(122)에 의해 최종적으로 수신된다.

펄스(140)의 트레일링 에지(trailing edge)(145)에 도달할 때와 같이, 짧은 펄스(140)의 기간(144)이 끝날 때, 저장된 에너지는 전압의 큰 양의 펄스를 산출하며, 트랜지스터(152)를 급작스럽게 턴-오프시키고, 1차 코일(164)에 걸쳐 전압의 큰 양의 펄스(도시되지 않음)를 산출한다. 변압기(166)는 이러한 전압의 큰 양의 펄스를 확대하고, 2차 코일(170)에 걸쳐 양의 극성을 갖는 보다 크고 확대된 이온화 파형을 생성한다. 이러한 크고 확대된 전압 파형은 각각 도 4a의 이온화 양 전압 파형(64) 및 양의 펄스 열(60)과 같은 양의 펄스 열의 일부분을 형성하는 이온화 양 전압 파형으로서 와이어 이미터(122)에 의해 최종적으로 수신된다. 이온화 양의 전압 파형(64) 다음에는 상이한 극성들 사이에서 오실레이팅하며 시간에 따라 감소하는 전압 진폭을 갖는 보다 작은 파형들이 나타난다. 이들 차후적인 파형들로부터의 전압 진폭들은 이온화 전압에 도달하지 않으며, 이에 따라 이들은 비-이온화 전압 파형들이다. 이들 차후적인 파형들은 회로 공진에 의해 야기되며, 1차 댐핑 회로(146)를 사용함으로써 제어, 제거, 또는 감소될 수 있다.

전원 공급 장치(126)는 바로 앞서 설명된 양의 펄스 열의 생성과 유사한 방식으로, 도 2 또는 도 4b의 펄스 열(32 또는 80)과 같은 음의 펄스 열에 대한 비대칭 전압 파형들을 생성한다. 하지만, 두 개의 지연 회로 및 스위칭 회로(150)가 펄스(140)를 트랜지스터(154)의 게이트에 라우팅하여, 펄스 드라이브 회로(141)가 충전 단계에 들어가게 할 때, 전원 공급 장치(126)는 음의 펄스 열에 대한 이들 비대칭 파형들을 생성한다. 이러한 충전 단계 동안, 트랜지스터(154)는 주어진 기간 동안에 전류가 중심 탭(165)과 1차 코일 단부(171)를 통해 흐르게 한다. 도 5a에 도시된 실시예에서, 전류가 1차 코일(164)을 통과하는 주어진 기간은 셋 바이(set by)되고, 이는 대략적으로 펄스 기간(144)과 등가적이다.

중심 탭(165)과 1차 코일 단부(171)를 통해 흐르는 전류는 1차 코일(164)의 절반에 걸쳐 상대적으로 작은 음 전압 펄스를 산출하고, 고전압 변압기(166)의 1차 코일(165) 및 공기 층 및 (포함된다면) 페라이트에 에너지를 저장한다. 이러한 충전 단계 동안, 중심 탭(165)과 1차 코일 단부(171)로 경계가 이루어진 1차 코일(164)의 절반 부분을 통한 전류 흐름의 방향은 양의 펄스 열을 생성하도록 사용된 1차 코일 단부(169)와 중심 탭(165)으로 경계가 이루어진 1차 코일(164)의 다른 절반 부분을 통한 전류 흐름의 방향과는 반대이다. 또한, 1차 코일(164)의 이들 절반 부분들 모두는 동일한 방향으로 감겨진다. 권선비를 통해, 변압기(166)는 이러한 작은 음 전압 파형을 확대하며, 2차 코일(170)에 걸쳐 확대된 양 전압 파형을 산출한다. 이러한 확대된 양 전압 파형은 각각 도 4b의 비-이온화 양 전압 파형(82) 및 음의 펄스 열(80)과 같은 음의 펄스 열의 일부분을 형성하는 비대칭 전압 파형의 비-이온화 파형으로서 와이어 이미터(122)에 의해 최종적으로 수신된다.

펄스(140)의 트레일링 에지(145)에 도달할 때와 같이, 짧은 펄스(140)의 기간(144)이 끝날 때, 저장된 에너지는 전압의 큰 음의 펄스를 산출하며, 트랜지스터(152)를 급작스럽게 턴-오프시키고, 1차 코일(164)에 걸쳐 전압의 큰 음의 펄스(도시되지 않음)를 산출한다. 변압기(166)는 이러한 전압의 큰 음의 펄스를 확대하고, 2차 코일(170)에 걸쳐 음의 극성을 갖는 보다 크고 확대된 이온화 파형을 생성한다. 이러한 크고 확대된 전압 파형은 각각 도 4b의 이온화 음 전압 파형(84) 및 음의 펄스 열(80)과 같은 음의 펄스 열의 일부분을 형성하는 비대칭 전압 파형의 이온화 음의 전압 파형으로서 와이어 이미터(122)에 의해 최종적으로 수신된다. 이온화 음 전압 파형(84) 다음에는 상이한 극성들 사이에서 오실레이팅하며 시간에 따라 감소하는 전압 진폭들을 갖는 보다 작은 파형이 나타난다. 이들 차후적인 파형들로부터의 전압 진폭들은 이온화 전압에 도달하지 않으며, 이에 따라 이들은 비-이온화 전압 파형들이다. 이들 차후적인 파형들은 회로 공진에 의해 야기되며, 1차 댐핑 회로(146)에 의해 제어, 제거, 또는 감소될 수 있다.

고전압 변압기(166)는 2차 코일(170) 및 1차 코일(164)에 있어서 50 대 1 및 5000 대 1 사이의 권선비를 갖도록 배치된다. 전원 공급 출력(168)으로부터 측정될 때, 그리고 전원 공급 장치(126)가 본 개시사항의 범주 및 사상 내에서 가르치는 바와 같이 구성될 때, 트랜지스터(154)는 음의 펄스 열의 산출을 야기하며, 트랜지스터(152)는 양의 펄스 열의 산출을 야기하는데, 이는 코로나 방전에 의한 도 1의 바이폴라 이온 클라우드(40)와 같은 바이폴라 이온 클라우드를 생성하는 접지(137)를 통한 레퍼런스 전극(124) 및 이미터(122)에 의해 최종적으로 수신된 전압-교류 펄스 열 쌍을 공동으로 형성한다. 이들 양 및 음의 펄스 열들은 비-이온화 및 이온화 전압 파형들(62 내지 64, 및 82 내지 84)과 같은 비대칭 파형들의 세트를 각각 포함하는 도 4a 및 도 4b에 앞서 이전에 개시된 양 및 음의 펄스 열들(60 및 80)과 동일한 구조 및 기능을 가진다.

전원 공급 출력(168)에서 산출된 각각의 펄스 열에 대한 이온화 파형(64 또는 84)과 같은 이온화 파형의 최대 전압 진폭은 다음의 변수들에 따라 설정되며:

고전압 변압기(166)의 권선비;

고전압 변압기(164)의 1차 코일 인덕턴스;

펄스 기간(144);

저항(176)과 캐패시터(178) 사이의 노드(174)에서의 입력 DC 전압(172);

저항(180)과 캐패시터(182)를 포함하는 1차 댐핑 회로(146);

이온 평형 회로(132)가 포함되는 경우, 도 5a에 도시된 예시에서 트랜지스터(154)와 접지(137) 사이의 임피던스는 트랜지스터(177)의 드레인과 소스에 걸친 저항이다.

도 5a에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 고전압 변압기(166)의 권선비는 2차 코일 및 1차 코일에 대해 50 대 1과 5000 대 1 사이의 범위일 수 있고; 고전압 변압기(164)의 1차 코일 인덕턴스는 대략 14 마이크로헨리(μH: microhenries)인 각각의 절반 부분을 갖는 대략 48 마이크로헨리이고; 펄스(140)의 펄스 기간(144)은 1 마이크로초 내지 24 마이크로초 사이의 범위일 수 있고; 저항(176) 및 캐패시터(178)는 각각 1 내지 100 옴 및 0.1 피코패럿(㎊: picofarads)이고; 트랜지스터(177)의 드레인 및 소스에 걸친 저항은 약 005 내지 10 옴의 범위일 수 있다.

1차 코일(164)의 인덕턴스, 저항(180)과 캐패시터(182)에 의해 결정되는 1차 댐핑 회로(146)의 용량성 부하(capacitive load), 및 도시되는 예시에서 와이어 이미터(122)와 레퍼런스 전극(124)의 용량성 부하를 포함하며 전원 공급 출력(168)에 의해 확인되는 용량성 부하는 이전에 앞서 도 4a 및 도 4b에 대해 논의된 비-이온화 및 이온화 파형(62 내지 64) 또는 비-이온화 및 이온화 파형(82 내지 84)과 같은 계속되는 비대칭 파형들의 파형상(wave shape)을 결정한다. 이들 순차적인 비대칭 파형들은 펄스 열(60 또는 80)과 같은 펄스 열을 포함하며, 이는 전원 공급 출력(168)에서 전원 공급 장치(126)에 의해 제공된다. 도 5a에서, 1차 코일(164)의 인덕턴스는 10 내지 100 마이크로헨리의 범위에 존재하는 것으로 선택될 수 있으며, 부하 캐패시턴스는 3 내지 60 피코패럿의 범위에서 선택될 수 있다. 본 명세서에 개시된 회로 소자들의 모든 값들 및 모델 수들은 본 명세서에 개시된 다양한 실시예들을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 사용된 실제의 값들은 설계된 이온화기의 치수(dimensions)와 유형에 따라 다양할 것이다.

전원 공급 장치(126)에 의해 생성된 펄스 열들은 상대적으로 높은 슬루 레이트를 갖도록 배치되며, 양 및 음의 펄스 열들은 사용 배율기(multipliers), 정류기(rectifiers), 합 블록들(summing blocks), 또는 이들 구성 요소들의 임의의 결합을 포함하지 않는 상대적으로 작은-풋프린트(small-footprint) 고전압 변압기를 사용함으로써 전원 공급 장치(126)에 의해 반복적이며 순차적인 방식으로 산출될 수 있다. 각각의 펄스 열 쌍의 펄스 반복률은 사용된 가스 유량, 중화를 위해 선택된 디바이스를 포함하는 타깃 위치의 거리, 타깃 위치에서의 바람직한 이온들의 농도, 또는 이들 인자들의 임의의 결합에 따라 조정될 수 있다.

도 5a의 이온 평형 제어 회로(132)는 트랜지스터(177), 이온 평형 전극(134), 저항(184), 저항(186), 및 때때로 전위차계(potentiometer)라고도 지칭되는 가변 저항(188), 및 캐패시터(190)을 포함한다. 트랜지스터(177), 캐패시터(190), 및 전위차계(192)를 통해, 이온 평형 제어 회로(132)는 또한 도시되는 바와 같이 접지(137)에 연결된다. 저항(184 및 186)은, 이온들이 패스트 전극(past electrode)(134)을 흐를 때, 노드(192)에서 전압을 산출한다. 이 전압은 트랜지스터(177)의 게이트에 의해 확인되며, 이는 트랜지스터(177)가 자체의 소스 및 드레인에 걸쳐 트랜지스터(177)의 저항을 변경하게 한다. 작은 양의 바이어스 전류는 트랜지스터(177)의 턴-온 바이어스를 보상하기 위해 저항(192)에 의해 트랜지스터(177)의 게이트에 더해진다. 캐패시터(190)는 노드(192)에서 산출된 이온 평형 신호에 영향을 미칠 수 있는 펄스들로부터 잡음을 필터링하고, 저항(188)은 이온 평형 전극에서, 또는 아마도 도 1의 타깃 위치(42)와 같은 타깃 오브젝트 또는 타깃 위치에서 영(zero)과 같은 이온 흐름 평형을 제공하도록 셋팅될 수 있다.

예시로서, 어떠한 이유(주위 조건들의 변화, 및 이미터 오염 등)에서든지 마이크로-펄스 바이폴라 코로나 이온화기(120)로부터의 이온 흐름이 보다 많은 양 및 음 이온들을 생성하기 시작한다면, 이온 평형 전극(134)은 양 전하를 획득할 것이다. 이 양 전하는 저항들(184, 186, 및 188)에 걸쳐 전류 흐름을 생성하는데, 이는 노드(192)에서와, 트랜지스터(177)의 게이트에서 전압을 증가시키고, 트랜지스터(177)의 소스 및 드레인에 걸쳐 저항을 감소시킨다. 트랜지스터(177)의 소스 및 드레인에 걸쳐 저항을 감소시키는 것은 전원 공급 장치(126)에 의해 생성된 펄스 열 쌍에 대해, 도 4b의 이온화 파형(84) 및 음의 펄스 열(80)과 같은 음의 펄스 열의 이온화 파형의 최대 전압 진폭을 증가시킨다. 음의 펄스 열의 이온화 파형의 최대 전압 진폭을 증가시키는 것은 음 이온들 쪽으로의 이온 평형을 증가시킨다. 이러한 이온 평형이 음 이온들 쪽으로 편향되면, 이온 평형 전극(134)에서 생성된 양 전하가, 이전에 선택된 타깃 위치에서의 이온 평형이 대략 0 또는 또 다른 미리 선택된 값으로 복원되도록 충분히 감소될 때까지, 전극(134)에 의해 획득된 양 전압은 트랜지스터(177)의 게이트에 의해 확인되는 노드(192)에서 전압을 감소시키기 시작할 것이며, 또한 감소시킬 것이다.

유사하게도, 전극(134)에 걸친 이온 흐름이 음 전압을 생성하는 경우, 노드(192)는 트랜지스터(177)의 게이트에 의해 확인되는 전압을 감소시키는 감소된 전압, 또는 심지어 음 전압을 획득하며, 이는 자체의 드레인 및 소스에 걸쳐 트랜지스터(177)의 저항을 증가시킨다. 이는 음의 펄스 열로부터의 이온화 파형의 최대 전압 진폭을 감소시키며, 또한 전극(134)에서의 전압 또는 전하가, 이전에 선택된 타깃 위치에서의 이온 평형이 대략 0 또는 또 다른 미리 선택된 값으로 복원되도록 충분히 증가될 때까지, 음 이온들의 생성을 감소시킨다.

스파크 서지 억제기 및 코로나 활성 회로(136)는 스파크 서지 억제 및 코로나 활성 인디케이터 기능들을 제공한다. 다이오드들(194 및 196) 및 캐패시터(198)는 스파크 서지 억제 기능을 제공한다. 전압 스파크가 레퍼런스 전극(124)에 걸쳐 발생하는 경우, 다이오드(194)는 접지(137)를 통한 임의의 결과적인 음 전류를 분로시키며, 이로써 트랜지스터(200)의 베이스를 보호한다. 임의의 양의 스파크 서지 전류는 다이오드(196) 및 캐패시터(198)를 통해 접지(137)로 분로된다.

스파크 서지 억제기 및 코로나 활성 회로(136)는 와이어 이미터(122)로부터이온 전류, 및 와이어 이미터(122)로부터 레퍼런스 전극을 분리하는 공간에 레퍼런스 전극(124)을 흐르는 유도된 전기 코로나 잡음 신호들로부터 임의의 전류를 수용하기 위해, 레퍼런스 전극(124)과 같은 전극을 사용함으로써 코로나 활성 인디케이터 기능을 제공한다. 이들 전류들은 인덕터(202)에 의해 전압으로 전환되고, 다이오드(196)에 의해 정류되며, 캐패시터(198)에 의해 필터링되는데, 이는 노드(204), 및 트랜지스터(200)의 베이스의 전압을 공동으로 야기한다. 노드(204)에서의 전압 변동은 트랜지스터(200)의 컬렉터에서의 전압이 노드(204)의 전압에 거의 비례하여 변동하게 한다. 저항(206)은 컬렉터 및 12 볼트의 DC 양 전압에 연결되고, 풀-다운 저항(full-down resistor)의 기능을 한다. LED(208)의 애노드 단부는 트랜지스터의 컬렉터에 연결되고, 발광 다이오드(LED)(208)의 캐소드 단부는 접지에 연결된다. 트랜지스터(200)의 컬렉터에서의 전압 변동은 LED(208)가 마이크로-펄스 바이폴라 이온화기(120)에 의해 생성된 이온 전류의 함수로서 플래쉬(flash) 또는 변동하게 한다. 대안과 연계되어, 또는 대안으로서, 트랜지스터(200)의 컬렉터에서의 전압은, 마이크로프로세서가 이온 생성의 상태를 결정하게 하도록, 마이크로프로세서 또는 등가물(도시되지 않음)에 의해 인터럽트 신호(210)로서 샘플링 또는 사용될 수 있다.

도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 이미터에 적어도 하나의 펄스 열 쌍을 제공함으로써 코로나 방전에 의한 바이폴라 이온들을 생성하기 위한 방법을 도시한다. 220에서, 적어도 하나의 펄스 열 쌍이 도 1의 펄스 열 쌍(18), 이미터(12), 및 이온화기(10)와 같은 이온화기의 이미터에 제공된다. 펄스 열 쌍은 도 2의 양 및 음 펄스 열들(30 및 32)과 같은 차례대로 교호하는 양의 펄스 열 및 음의 펄스 열을 포함하도록 배치된다. 양의 펄스 열은 이온화 음 전압 파형을 포함하는 음의 펄스 열 및 이온화 양 전압 파형을 포함한다. 이들 이온화 양 및 음 전압 파형들은 레퍼런스 전극 및 이미터에 걸쳐 전압 변화도를 교호 생성하여, 코로나 방전에 의한 양 및 음 이온들을 포함하는 이온 클라우드를 생성한다.

도 6b는 앞의 본 발명의 한 대안적인 실시예에 따라 도 6a에 개시된 방법에 대한 선택적이며 추가적인 단계들을 도시한다.

222에서, 펄스 열에 대한 이온화 파형이 생성되기 이전에, 비-이온화 전압 파형이 생성된다. 예를 들어(도시되지 않음), 도 4a의 양의 펄스 열(60)과 같은 양의 펄스 열에 대한 이온화 양의 파형을 생성하기 이전에, 비-이온화 음 전압 파형이 생성될 수 있다. 유사하게도, 도 4b의 음의 펄스 열(80)과 같은 음의 펄스 열에 대한 이온화 음의 파형을 생성하기 이전에, 비-이온화 양 전압 파형이 생성될 수 있다.

도 6b에 개시된 본 발명의 더 추가적인 대안적인 실시예에 따르면, 224에서, 비-이온화 전압 파형은 도 5a의 2차 코일(170)과 같은 변압기의 1차 코일, 고전압 변압기(166), 및 1차 코일(164)에 각각 에너지를 저장함으로써, 고전압 변압기의 2차 코일에 생성된다. 226에서, 에너지 전하가 방출되어(released), 2차 코일에 걸쳐 이온화 전압 파형을 생성할 때, 이러한 1차 코일에 걸쳐 전압이 생성된다.

본 발명이 특정 실시예들로 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시예들에 의해 제한되는 것으로 고려되지 않을 것임이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명은 아래의 청구항들에 따라 고려될 것이다.

12 : 이미터 14 : 레퍼런스 전극
16 : 전원 소스 24 : 이온 평형 회로
42 : 타깃 위치 30 : 양의 펄스 열
32 : 음의 펄스 열

Claims

이미터(emitter)와 레퍼런스 전극(reference electrode)을 분리하는 공간 내에 이온들을 생성하기 위한 장치로서,
이미터;
레퍼런스 전극; 및
적어도 하나의 펄스 열 쌍(pulse train pair)을 상기 이미터에 제공하도록 배치된 전원 공급 장치(power supply)로서, 상기 펄스 열 쌍은 차례대로 교호하는 양의 펄스 열과 음의 펄스 열을 포함하고, 상기 양의 펄스 열은 이온화 양 전압 파형(ionizing positive voltage waveform)을 포함하고, 상기 음의 펄스 열은 이온화 음 전압 파형을 포함하는, 전원 공급 장치;를 포함하며,
상기 이온화 양 및 음 전압 파형들은 상기 레퍼런스 전극과 상기 이미터 사이의 전압 변화도(voltage gradients)를 교호 생성하고, 코로나 방전(corona discharge)에 의한 양 및 음의 이온들을 포함하는 이온 클라우드(ion cloud)를 생성하고, 각각의 펄스 열은 반대 극성의 이온화 전압 파형 이전에 발생하는, 제1 극성을 갖는 제1 비-이온화 전압 파형을 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 1차 코일과 2차 코일을 갖는 변압기를 포함하고, 상기 전원 공급 장치는, 상기 1차 코일에 에너지를 저장함으로써 상기 2차 코일에 상기 제1 비-이온화 음 전압 파형을 생성하고, 상기 에너지가 방출될 때에 상기 1차 코일에 걸쳐 전압을 생성하도록 배치되어, 상기 2차 코일에 걸쳐 상기 이온화 양의 파형을 생성하게 하는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제3항에 있어서, 상기 양의 펄스 열은 제2 비-이온화 음 전압 파형을 더 포함하고, 상기 제2 비-이온화 음 전압 파형은 회로 공진(circuit resonance)에 의해 생성되는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제4항에 있어서, 상기 변압기에 연결되며, 상기 제2 비-이온화 음 전압 파형이 상기 회로 공진에 의해 생성된 이후에 상기 회로 공진에 의해 생성되는 비-이온화 전압 파형들을 감소시키도록 배치된 댐핑 회로(damping circuit)를 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제3항에 있어서, 상기 변압기에 연결되며, 상기 이온화 양 전압 파형이 생성된 이후에 상기 회로 공진에 의해 생성되는 비-이온화 전압 파형들을 감소시키도록 배치된 댐핑 회로를 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 1차 코일과 2차 코일을 포함하고, 상기 전원 공급 장치는, 제1 기간(duration) 동안 전류가 상기 1차 코일의 일부분을 통해 흐르게 하고, 상기 제1 기간이 끝난 이후에 제2 기간 동안 다른 전류가 상기 1차 코일의 다른 부분을 통해 흐르게 함으로써, 상기 2차 코일에 상기 양 및 음의 펄스 열들을 교호 생성하도록 배치되는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 기간들은 동일한, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는, 제1의 1차 코일 단부, 제2의 1차 코일 단부, 및 중심 탭(center tap)을 포함하는 1차 코일과, 상기 이미터 및 상기 레퍼런스 전극에 전기적으로 연결된 2차 코일을 포함하고,
상기 전원 공급 장치는, 교호적으로 제1 전류가 상기 제1의 1차 코일 단부 및 상기 중심 탭을 통해 흐르게 하고, 제2 전류가 상기 제2의 1차 코일 단부 및 상기 중심 탭을 통해 흐르게 함으로써, 상기 2차 코일에 상기 양 및 음의 펄스 열들을 교호 생성하도록 배치되는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제9항에 있어서,
상기 1차 및 2차 코일들은 고전압 승압 변압기(step-up transformer)의 부분이고, 상기 2차 코일은 상기 이미터에 전기적으로 연결된 제1의 2차 코일 단부와, 상기 레퍼런스 전극에 전기적으로 연결된 제2의 2차 코일 단부를 포함하고,
상기 양의 펄스 열은 제1 비-이온화 음 전압 파형을 더 포함하고;
한 기간 동안 상기 제1 및 제2 전류를 생성하도록 배치된 펄스 드라이브 회로를 더 포함하고;
상기 제1 비-이온화 음 전압 파형은 상기 기간 동안 상기 2차 코일에 생성되고, 상기 이온화 양의 파형은 상기 기간이 끝날 때에 상기 2차 코일에 생성되는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 비-이온화 음의 파형은 상승 슬루 레이트(rise slew rate), 상승 슬루 레이트보다 작은 하강 슬루 레이트(fall slew rate), 및 상기 이온화 양의 파형의 하강 슬루 레이트를 가지고서 각각 배치되는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 초당 1 내지 4000회(times)의 범위의 반복률(repetition rate)로 상기 펄스 열 쌍을 생성하고, 상기 펄스 열 쌍에 대한 0.1 내지 1 퍼센트의 듀티 팩터(duty factor)를 사용하는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
제12항에 있어서,
가스 소스, 및 상기 가스 소스에 의해 이동되는 가스의 속도의 함수인 상기 반복률로 배치되는 상기 전원 공급 장치;
이온 평형 회로(ion balance circuit), 및 상기 이온화 음 전압 파형의 진폭에 변화를 주어, 상기 이온 평형 회로에 응하는 상기 전원 공급 장치; 및
상기 레퍼런스 전극과 공통의 레퍼런스 버스(common reference bus) 사이에 전기적으로 연결된 이온 활성 회로(ion activity circuit), 및 스파크 서지 억제기(spark surge suppressor);의 임의의 결합을 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 장치.
이미터와 레퍼런스 전극을 분리하는 공간 내에 이온들을 생성하기 위한 방법으로서,
상기 이미터에 적어도 하나의 펄스 열 쌍을 제공하는 단계로서, 상기 펄스 열 쌍은 차례대로 교호하는 양의 펄스 열과 음의 펄스 열을 포함하고, 상기 양의 펄스 열은 이온화 양 전압 파형을 포함하고, 상기 음의 펄스 열은 이온화 음 전압 파형을 포함하는, 적어도 하나의 펄스 열 쌍을 제공하는 단계;를 포함하며,
상기 이온화 양 및 음 전압 파형은 상기 레퍼런스 전극과 상기 이미터에 걸친 전압 변화도를 교호 생성하고, 코로나 방전에 의한 양 및 음 이온들을 포함하는 이온 클라우드를 생성하고,
상기 방법은,
반대 극성의 이온화 전압 파형이 생성되기 이전에, 제1 극성을 갖는 제1 비-이온화 전압 파형을 생성하는 단계를 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 방법.
삭제
제14항에 있어서,
고전압 변압기의 1차 코일에 에너지를 저장함으로써 고전압 변압기의 2차 코일에 상기 제1 비-이온화 음 전압 파형을 생성하는 단계와, 상기 에너지가 방출될 때에 상기 1차 코일에 걸쳐 전압을 생성하는 단계로서, 상기 전압을 생성하는 단계는 상기 2차 코일에 걸쳐 상기 이온화 양의 파형을 생성하게 하는, 생성 단계를 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 방법.
제16항에 있어서, 상기 1차 코일에 걸쳐 상기 전압을 생성하는 상기 생성 단계는 상기 1차 및 2차 코일들을 포함하는 전원 공급 장치 내에 회로 공진을 더 야기하고, 상기 회로 공진은 제2 비-이온화 음 전압 파형의 생성을 야기하며; 상기 양의 펄스 열은 상기 제2 비-이온화 음 전압 파형을 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 방법.
제17항에 있어서, 상기 제2 비-이온화 음 전압 파형이 생성된 이후에 상기 회로 공진에 의해 생성되는 비-이온화 전압 파형들을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 방법.
제17항에 있어서, 상기 이온화 양 전압 파형이 생성된 이후에 상기 회로 공진에 의해 생성되는 비-이온화 전압 파형들을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 방법.
제19항에 있어서, 변압기의 2차 코일에 상기 양 및 음의 펄스 열들을 교호 생성하되, 제1 기간 동안 전류가 상기 변압기의 1차 코일의 일부분을 통해 흐르게 하고, 상기 제1 기간이 끝난 이후에 제2 기간 동안 다른 전류가 상기 1차 코일의 다른 부분을 통해 흐르게 함으로써, 상기 양 및 음의 펄스 열들을 교호 생성하는 단계를 더 포함하는, 이온들을 생성하기 위한 방법.