TWI415350B - 離子形成裝置、用以輸送一離子流至充電物體的方法及用以輸送一離子流的方法 - Google Patents

Description

離子形成裝置、用以輸送一離子流至充電物體的方法及用以輸送一離子流的方法

本發明關於空氣或氣體離子化電極，且較明確地說關於藉由以流動氣流及低維護方式有效地產生及收集用於輸送至一物體之離子以中和該物體上之靜電荷之裝置。

用以產生某一或其他極性離子之電極結構，一般仰賴尖銳的尖頭電極或小直徑拉伸細絲，以回應所施加的高度離子化電壓產生一電暈放電。

然而，以此方式所產生之離子係受靠近該電極表面的高強度電場強大影響，該電場會控制離子移動，並降低一流動氣流捕捉、收集以及輸送離子至該帶電物體的效率。

此外，尖頭電極以及細絲電極係傾向於在該等電極表面上沉積該氣流中電暈放電的副產物。此等副產物之沉積會引起電暈放電的不穩定，降低離子產生並於該氣流中破壞離子平衡。

根據本發明之一項具體實施例，一導電細絲係形成為一迴路，其係支撐於一流動氣流的噴嘴內，且係連接至高度離子化電壓源。

該細絲係由導電材料形成，例如鎢或赫史特合金。該細絲之直徑範圍從約10至約100微米，且較佳的情況下係約30至60微米。該細絲可能具有表面塗層，其係為一或多層可能為導電性或非導電性的抗腐蝕材料。例如，該表面塗層可能為玻璃或陶瓷，抑或是金屬或金屬合金。

該迴路電極可以平式二維或三維組態形成，且形狀可能為圓或橢圓，抑或是具有不同比例之主軸及短軸的半橢圓。

該迴路電極可緊密地鄰接一非離子化電極而置放，且可置放於一流動氣流中，以移動所產生之離子，並降低電暈副產物形成的速率。該氣體可能為一惰性氣體，例如氬，或一低溼度氣體，例如氮或清潔乾空氣(CDA)。

該迴路電極、該支撐結構以及該非離子化電極之不同組態係配置成於所產生離子與流動氣流間交互作用最大，進而增強輸送至一帶電物體的離子收集。

根據本發明之一項具體實施例，二離子化電極係各配置成一迴路，其係浸泡於一流動氣流中，且係個別地連接至正與負高電壓電源供應之一者，以使離子產生與離子收集最佳化。根據本發明之一項具體實施例，該離子化電極係配置成一迴路，其係浸泡於一流動氣流中，且係連接至AC高電壓電源供應，其於預設之電壓與頻率下進行操作，以使離子產生與離子收集最佳化。

現在參考圖1A，所示係本發明之一項具體實施例的平面圖，其中離子化電極1包括一呈平式形式具半徑R之圓形迴路3的導電細絲2。該迴路半徑可在範圍0.1至50 mm中，較佳的情況下，在範圍0.5至10 mm中。

該迴路3係由一介電結構，例如陶瓷管4所支撐，且係透過一於該介電結構中之導體進行連接至端子5，其會對連接至供應一高度離子化電壓之插座5a形成一適當的支撐與連接。

同樣地，於圖1B之具體實施例中，細絲2係形成為一位於一平面內之橢圓二維迴路。該迴路13之橢圓組態，對於置放於侷限空間(例如管或通道)內部，以侷限一流動氣流的離子化電極1而言，係一適當形式。

於圖1C之具體實施例中，該細絲2係配置成一半橢圓平式迴路18，此對於一由導電結構14所支撐之離子化電極1而言係一適當形狀，而該導電結構14係位於一侷限空間(例如一出口噴嘴)內部，以於室溫以上之壓力下釋放氣體。

參考圖2A之立體圖，所示係為傳統尖頭離子化電極，其置放於會侷限流動氣體之半徑r的介電管6內部。所示亦係一分布於該尖頭電極與該參考電極7間之靜電場線的簡化圖。

參考圖2B，所示係一分布於圖2A之A－A斷面中的電場強度E之圖式。施加於該尖頭電極之高電壓會在靠近該電極之頂端或尖端產生最大場強度E_{m a x} ，其中該電極係置放於介電管6之中間，且係為參考電極7所圍繞。該管會侷限使離子脫離該尖頭電極之氣流。依照圖2C中所闡明之於斷面A－A橫跨管6直徑的流動氣體速率圖，該場強度E之最大值與該管之中央區域中最大流動氣體速率U_{m a x} 相符。離子產生係集中於該電極頂端附近的小體積範圍中，且此等產生之離子係陷獲於該位置附近的強電場中。此等情況會提升對流動氣流內所產生之離子的低效率收集與輸送。

現在參考圖3A，所示係本發明之一項具體實施例，其中一形成離子化電極1之橢圓迴路13係置放於侷限流動氣流8的介電管6內部。同時，圖3B中所示係一位於該介電管6內部該細絲迴路電極13間之靜電場線的簡化圖，而該非離子化電極7係置放於該介電管6之外部。

根據高斯(Gauss)定律，電場強度E主要係集中於在高電壓下操作之迴路導體2(參見圖3A)之外部尺寸附近，如同圖3B之圖中所示，其中最小電場強度E_{m i n} 係分布於該迴路13之邊界內。依照圖3C中所闡明之於斷面A－A橫跨管6直徑的流動氣體速率圖，靠近管6中央之最大氣體速率與最小場強度E_{m i n} 之位置相符。於管6中央附近之近似最大氣體速率會與最大場強度之位置相符。因此，於該迴路細絲導體2附近所產生之離子便可朝向表現出低場強度之迴路13的內部體積移動，且於該迴路導體2附近產生最多，全部都在介電管6內之最大或近似最大氣體流動速率的位置中。此等情況會提升該流動氣流內產生離子之高效率捕捉或收集以及輸送(例如，朝向欲加以中和之帶電物體，未顯示)。

因此，如圖3A所闡明本發明之迴路電極具體實施例，會有效率地建立用以於流經該迴路電極之氣流內產生與收集離子的大表面區。離子可朝向該迴路電極2之邊界內低場強度的中央區域擴散或者移動，以於表現最大流動速率之氣流中央區域內有效地收集與輸送。且，該迴路電極之大發射區會沿著該迴路導體2之每單位長度提升較低電流密度，並伴隨該導體2之腐蝕的降低。

現在參考圖4A，所示係一與迴路細絲電極9之中央軸分離的角度定向，其係配置成一三維迴路，其中部分係置放成分離的傾斜平面。此組態會對流經該導體2之氣流曝露該迴路細絲9之大表面區。該迴路細絲9係連接至一支撐電性端子5，並因介電珠10而與其隔開。另外，如圖4B中所示，該迴路細絲9可直接附著該導電端子5，並由亦供作為一高電壓電極之導電端5所支撐。

現在參考圖5A，所示係一項具體實施例之斷面圖，其中離子化電極2係裝配成橢圓二維迴路，其係置放於一侷限流動氣流或氣體8的介電管6內。非離子化平面參考電極7係置放於該管6之外部，並例如平行於該迴路電極2之平面而進行定向。

由迴路離子化電極2所產生之離子係由通過用以輸送至一帶電荷物體(未顯示)之孔的流動氣體8而進行收集。該氣體8可為低溼度清潔乾空氣(CDA)、氮或混合氣體，以降低於該迴路電極2上電暈副產物的形成。

另外，如同圖5B之斷面圖所示，該等平面非離子化參考電極7係置放於垂直於該迴路電極2之平面的管6之外部。當然，於每一說明之具體實施例中的參考電極7，亦可裝配成一環(或者其部分)，其係置放於介電管6之外周邊附近。

現在參考圖6A，所示係該離子化電極1之一項具體實施例的斷面圖，其中一橢圓平式迴路電極13係置放於一包括二同心管6a以及6b之氣體噴嘴6的內部。一非離子化或參考電極7係平行於該迴路電極13之平面而置放。於管6a中流動之氣體8可與在管6b中流動之氣體相異。例如，於管6a中之氣體可為氮8a，而於管6b中流動之氣體可為清潔乾空氣8b。管6a與管6b中之氣體速率與氣體消耗可能相異。於該具體實施例中，較昂貴氣體8a之消耗可降至最低。

另外，如同圖6B之斷面圖所示，該離子化迴路電極13係置放於該噴嘴6之內部，且該非離子化電極7係垂直於該迴路電極13之平面而置放。當然，該參考電極7亦可裝配成一環(或者其部分)，其係置放於外管6b之外周邊附近。

現在參考圖6C，所示係該離子化電極1之一項具體實施例的斷面圖，其中該平式橢圓迴路電極13係置放於不同材料之二同心管6a以及6b的內部。該外管6b係導電的，且供作為一非離子化參考電極7a，而該內管6a係由介電材料所形成。

現在參考圖7A，所示係該離子化迴路電極之一項具體實施例的斷面圖，其中該二維橢圓迴路電極13係連接至高度AC離子化電壓源11，且係置放於侷限流動氣體8之介電管6內部。該平面非離子化電極7係置放於垂直該迴路電極13平面之介電管6的外部。當然，該參考電極亦可配置成一環(或者其部分)，其係置放於介電管6之外周邊附近。

該細絲迴路13之末緣關於該噴嘴6之孔或末端凹陷L_{e g} ，或於該迴路13中央與該噴嘴之孔間凹陷L_c 。該凹陷L_{e g} 可在範圍(＋)5至(－)10 mm，較佳地是(＋)1至(－)5 mm中。本文中所使用的「正凹陷」意思是該迴路13末緣會突出或係置放於該噴嘴6之外部，且可曝露於環境空氣或氣體。本文中所使用的「負凹陷」意思是該迴路13末緣會收縮或係置放於該噴嘴6之內部。

現在參考圖7B，所示係裝配於例如為一離子化條12之裝置中，根據本發明離子化電極之一項具體實施例的斷面圖，其包括至少二分離連接至正以及負高電壓電源供應14、15的橢圓迴路電極13a以及13b，其中每一電極係置放於一侷限流動氣體8a以及8b的介電噴嘴6a、6b內部。該等迴路電極13a以及13b之凹陷L_{e g} 可能相異。例如，負電壓電極13b之凹陷L_{e g} 可能小於正電壓迴路電極13a之凹陷L_{e g} 。同時，流動於該噴嘴6b中之氣體8b可能與流動於該噴嘴6a中之氣體8a相異，或以著一不同的速率流動。例如，該氣體8a可能為清潔乾空氣，而氣體8b則可能為氮。於氮中負離子的產生係以小凹陷L_{e g} 較具效率。以此方式，透過二相異凹陷的結合與在該等分離的噴嘴中以著不同速率流動之兩相異氣體的組合，可達於正與負離子產生之間的一所需離子平衡。

因此，本發明之離子化電極會提升離子產生效率，該等離子於流動氣流中可輕易地捕捉，用以輸送至一欲以靜電荷加以中和的帶電物體。

1．．．離子化電極

2．．．導電細絲

3．．．圓形迴路

4．．．陶瓷管

5．．．端

5a．．．插座

6．．．介電管

6a．．．同心管(內管)

6b．．．同心管(外管)

7．．．參考電極

7a．．．非離子化參考電極

8．．．流動氣流

8a．．．氮

8b．．．清潔乾空氣

9．．．迴路細絲電極

10．．．介電珠

11．．．高度AC離子化電源

12．．．離子化條

13．．．二維橢圓迴路電極

13a．．．正電壓橢圓迴路電極

13b．．．負電壓橢圓迴路電極

14．．．負電源供應

15．．．正電源供應

18．．．半橢圓平式迴路

圖1A係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的平面圖，其中一圓形迴路係由一陶瓷管所支撐，且係導電連接至一高電壓端子；圖1B係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的平面圖，其中一橢圓形二維迴路係由一陶瓷管所支撐，且係導電連接至一高電壓端子；圖1C係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的平面圖，其中一半橢圓形迴路係由一導電管所支撐，以連接至一高電壓端子；圖2A係與置於介電管內部之傳統尖端電極相關之電場線之典型圖案的立體圖；圖2B係圖2A之傳統尖頭電極之靜電場強度分布的簡化曲線圖；圖2C係流過圖2A之該介電管斷面之氣體速率分布的簡化曲線圖；圖3A係本發明一項具體實施例之電場線的立體圖，其中該細絲迴路電極係置放於一將氣流侷限於其中的介電管內部；圖3B係圖3A之具體實施例中置放於介電管內部之細絲迴路電極的靜電場強度分布之簡化曲線圖；圖3C係圖3A之介電管內部之氣體速率分布的簡化曲線圖；圖4A係顯示根據本發明關於離子化電極之一項具體實施例不同角度定向的平面圖，其中一橢圓形三維迴路電極係由一玻璃珠所支撐，且係導電連接至一高電壓端子；圖4B係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的平面圖，其中一橢圓形三維迴路係由一導電管所支撐，以連接至一高電壓端子；圖5A係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的斷面圖，其中一橢圓二維迴路電極係置放於一介電管內部，而非離子化電極係予以置放成與該迴路電極平面平行；圖5B係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的斷面圖，其中一橢圓二維迴路電極係置放於一介電管內部，而非離子化電極係予以置放成與該迴路電極平面垂直；圖6A係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的斷面圖，其中一橢圓平式迴路電極係置放於二同心管內部，而非離子化電極係予以置放成與該迴路電極平面平行；圖6B係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的斷面圖，其中一平式橢圓迴路電極係置放於二同心管內部，而非離子化電極係予以置放成與該迴路電極平面垂直；圖6C係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的斷面圖，其中一平式橢圓迴路電極係置放於二同心管內部，且其中該外管係一導電的非離子化電極；圖7A係根據本發明離子化電極之一項具體實施例的斷面圖，其中一二維橢圓迴路電極係經連接以接收AC離子化電壓，且係置放於一介電管內部，而非離子化電極係予以置放成與該迴路電極垂直；以及圖7B係根據本發明裝置之一項具體實施例的斷面圖，其中一離子化條包括二橢圓二維迴路電極，其置放於介電管內部，且係分離連接至正與負離子化電壓源。

1．．．離子化電極

2．．．導電細絲

6．．．介電管

7．．．參考電極

8．．．氣流

13．．．二維橢圓迴路電極

Claims (17)

1. 一種離子形成裝置，其包含一離子化電極，該離子化電極包含：一導電細絲，其形成該離子化電極而裝配成一橢圓迴路，使該迴路內沒有導電元件；該細絲之一支撐，其包括用以施加高度離子化電壓之一導電連接；一介電通道，其包含圍繞該導電細絲之若干壁，用以侷限流動氣流在實質上與該橢圓迴路之長軸對準方向之該細絲的周圍；及一參考電極，其放置在該介電通道外部，靠近該導電細絲之橢圓迴路，沿著該迴路之短軸對準之方向。
2. 一種離子形成裝置，其包含一離子化電極，該離子化電極包含：一導電細絲，其形成該離子化電極而裝配成一橢圓迴路，使該迴路內沒有導電元件；該細絲之一支撐，其包括用以施加高度離子化電壓之一導電連接；一介電通道，其包含圍繞該導電細絲之若干壁，以侷限流動氣流在實質上與該橢圓迴路之長軸對準方向之該細絲的周圍；及一參考電極，其放置在該介電通道外部，該參考電極位於沿著實質上與包含該迴路之長軸與短軸之平面垂直之方向的位置。
3. 一種離子形成裝置，其包含一離子化電極，該離子化電極包含：一導電細絲，其形成該離子化電極而裝配成一橢圓迴路，使該迴路內沒有導電元件；該細絲之一支撐，其包括用以施加高度離子化電壓之一導電連接；一介電通道，其包含圍繞該導電細絲之若干壁，以侷限流動氣流在實質上與該橢圓迴路之長軸對準方向之該細絲的周圍；及一參考電極，其放置在該介電通道外部，該介電通道形成一導電環之至少一部分，該導電環置放於相鄰該迴路之位置。
4. 一種離子形成裝置，其包含：一導電細絲，其裝配成具有平面部分之一迴路；一介電通道，其圍繞該導電細絲以侷限流動氣流在與該平面部分實質上面平行(plane-parallel)對準之該細絲的周圍，該介電通道之一末端形成一孔，且該導電細絲迴路之一末端延伸置於相對於該孔之一選定位置上；及一參考電極，其放置在該介電通道外部，定向以靠近該導電細絲而在該導電細絲與該參考電極之間建立一電場，以回應於施加其上之離子化電壓之相對極性。
5. 如請求項4之裝置，其中該迴路之該末梢延伸的該選定位置係相對於該孔而陷入。
6. 如請求項5之裝置，其中該導電細絲之該迴路係從該孔 陷入且不大於10毫米。
7. 如請求項4之裝置，其中流過該介電通道之一氣流的斷面輪廓包括實質上居於該介電通道中央之最大速率的一區域；及該導電細絲之該迴路係支撐於該介電通道內，該導電細絲具有實質上與一流過該介電通道之氣流對準之該迴路之一平面部分，該平面部分實質上在該最大速率區域之位置。
8. 如請求項7之裝置，其中該導電細絲之該迴路之該平面部分會取向一電場，該電場在該迴路中具有最小強度以及在該迴路與該參考電極之間具有最大強度，以回應對其施加之高度離子化電壓。
9. 如請求項4之裝置，其包括複數個介電通道，其中每一介電通道圍繞一導電細絲，且每一者與壓力下之一氣體供應相通，以使一氣流於該導電細絲之該迴路附近流動；以及一極性與相對極性之高度離子化電壓的供應，其連接至支撐於該複數個介電通道之一與另一通道內的一與另一迴路電極。
10. 如請求項9之裝置，其中該等介電通道之每一者包括形成一孔之一末端，且該等迴路電極之每一者包括一末端延伸，該末端延伸置放於一介電通道內且自相關孔陷入之一位置。
11. 如請求項10之裝置，其中迴路電極之該等末端延伸係相 對該等複數個介電通道之一與另一介電通道的相關孔，而置放在不同陷入間隔。
12. 如請求項4之裝置，其中每一該複數個介電通道之某一者與另一者會與壓力下一相異氣體之一供應相通；及至少一迴路電極係連接至於選定電壓與頻率下可操作的交流高電壓電源供應。
13. 一種包含一離子化電極之裝置，該離子化電極包含：一導電細絲，其裝配成一橢圓迴路；該細絲之一支撐，其包括用以施加高度離子化電壓之一導電連接；一介電通道，其包含圍繞該導電細絲之若干壁，以侷限流動氣流在該細絲的周圍，該橢圓迴路之一長軸實質上對準通過該通道之氣流；及一外管，其具有若干壁，該外管係置放於該介電通道附近，以侷限流過該外管之一氣流，並於其附近置放一參考電極；一第一氣體的一供應，其於壓力下與該介電通道與該外管之中至少一者相通，用以使該第一氣流於其中流過；及一第二氣體的一供應，其於壓力下與該介電通道與該外管中另一者相通，用以使該第二氣流於其中流過。
14. 如請求項13之裝置，其中該第一以及第二氣流係不同速率；以及至少一氣體為惰性氣體。
15. 一種用以輸送一離子流至充電物體的方法，其包括：建立一從加壓之氣體來源通過一介電通道之流動氣流，該氣流其具有橫跨該氣流之速率的一斷面輪廓，其具有實質上居於該介電通道中央之最大速率；於通過該通道內之該氣流之實質上中心位置置放一導電細絲，該迴路之一平面部分的定向實質上係與該流動氣流對準，以及該導電細絲之該迴路被置放以與其平面部分對準，在該迴路內存在最小電場強度，以回應實質上以流過該介電通道之氣體的一最大速率施加至該導電細絲之電壓；及對該導電細絲施加高度離子化電壓。
16. 一種用以輸送一離子流至充電物體的方法，其包括：建立一從加壓之氣體來源通過一介電通道的流動氣流，該氣流其具有橫跨該氣流之速率的一斷面輪廓，其具有實質上居於該介電通道中央之最大速率；於通過該通道內之該氣流之實質上中心位置置放一導電細絲，該迴路之一平面部分的定向實質上係與該流動氣流對準，該介電通道會圍繞該導電細絲之該迴路，以侷限其附近之該流動氣流；該導電細絲之一末端延伸係陷入該介電通道之一末端；以及一參考電極置放在該介電通道外部，靠近該導電細絲之該迴路之位置；及對該導電細絲施加高度離子化電壓。
17. 一種用以輸送一離子流的方法，其包括：建立一流動氣流，其具有橫跨該氣流之一斷面輪廓； 於該氣流內置放一導電細絲之迴路，該迴路之一軸的定向實質上係與該流動氣流對準；以一介電通道圍繞該導電細絲，以侷限其附近之該流動氣流，該導電細絲之一末端延伸係相對於該介電通道之一末端予以選擇地置放在從該介電通道之該末端突出至於該介電通道之該末端內凹陷的範圍內；建立複數個介電通道，每一介電通道包含一導電細絲之迴路於其中，其中不同氣流流經該複數個介電通道之一或另一者；及將一極性及相對極性之高度離子化電壓個別施加至在該複數個介電通道之一及該另一者內之導電細絲上。