TWI429154B - 離子產生方法及裝置 - Google Patents

Description

離子產生方法及裝置

本發明係關於一種可有效地產生及獲得離子之方法及裝置，可藉由電暈放電產生自平衡離子雲中和化一靜電帶電目標，以有效地獲得氣體離子，且使離子輕易地往一帶電物體移動。

傳統以鄰近於一靜電帶電物體之空氣或其他氣體的離子化為基礎之靜電中和系統，是用以放電傳導、半傳導及電性絕緣物體。然而，已知之靜電中和系統的效率很低，因為產生的離子約有95%－99%不能被得到，以使帶電物體放電。這是由於電暈放電需要高強度的電場，以產生離子，且相同的電場會使離子在電暈電極之間的間隙中移動，以防止大部分的離子離開電暈電極之間的間隙。由於離子電流主要在電極間流動，且用於電荷中和之獲得的離子輸出相當的低。此差的效率應用於傳統直流電暈放電裝置及工業或交替頻率(50－60Hz)電暈中和系統。此外，已知高頻電暈放電中和系統操作之頻率範圍為0.1－10MHz之特點為非常高離子再結合與由電暈電極之雜散電容產生之大功率損失。因此，需要提供一種產生離子之方法及裝置，藉由最佳化產生、電性平衡及產生離子之移動的處理，以有效地靜電中和。

依據本發明產生正離子及負離子以靜電中和一帶電物體，是藉由氣體或空氣離子化在一電暈放電進行。雙極電暈放電是在具有連接至一交替離子化電壓之產生器的電極之離子化室(cell)或模組中進行。理想上，為了靜電中和之目的，電暈放電產生具有實質上相等混合之正離子及負離子的一雙極離子雲。離子的雲連續在一間隙之中間區域振盪，而此間隙是在離子化室之電極間。藉由施加於離子化室之交流電壓的振幅及頻率的特定組合，使振盪離子雲集中於間隙之中央區域，相對於幾何外型及電極間之間隙距離與該雲中的氣體離子遷動率。

振盪於間隙之中間區域的離子雲有效地提升離子之獲得，以中和在一附近物體之靜電電荷。此帶電物體接近於在一些間隙距離的離子化室之內，以在帶電物體本身產生之電場的影響下，移動此離子。如果此物體是位於與離子化室相對較大距離的位置，則一額外的傳輸機制，如流經離子化室之氣體或是空氣，可由間隙中獲得離子，以靜電平衡一帶電物體。

振盪於離子化室的電極之產生離子的雲可提升離子平衡及正負離子之混合與電暈放電電流之有效使用，以輕易地傳輸離子至一帶電物體，而達到中和化。

請參考第1圖所示，為一具有一個或多個對齊之離子化尖電極2的離子化室1的剖面圖。根據本發明，用以靜電中和之離子源是藉由包含電極2（稱為離子化電極）之離子化室1提供，此電極2具有相對較小的尖端半徑或一尖點（或一細線），且電極3也可為一尖點（或一細線），但最好是具有相對較大之半徑的圓（稱為一反(counter)或一參考電極）。

離子化室1包含用於電暈電極之一機構及電性絕緣支撐4，以維持在電極間以一理想間距G維持一特定距離。離子化及反2、3電極可實質上位於一平面，且最好支撐在與需要靜電中和之物體5的靜電帶電表面平面平行(plain－parallel)的關係。此帶電物體5可為靜止或移動（例如：一絕緣的塑膠網、紙、布料等）。

請參考第2圖所示，為使用長細線型式之離子化電極6的離子化室1的剖面圖。在此狀況中，離子化室1可包含兩反電極7與8沿著離子化電暈線6延伸或圍繞離子化電暈線6。此線6具有一裸傳導表面，舉例而言，金屬表面或具有一介電表面塗層6a，如第2a圖之剖面所示。此反電極7、8也可具有一裸傳導表面或一介電表面塗層，類似於第2a圖中所示之線電極。

請參考第3圖所示，為一離子化室之剖面圖，此離子化室是鄰近於諸如風扇9的氣體或空氣移動裝置。此裝置9也可為一噴射噴嘴、空氣導管等。離子化室1可為空氣動力地配置，使氣體或空氣流可穿透（如透過一導管傳輸支撐4）。在此狀況下空氣移動裝置9可位於離子化室1之下游9a或上游9。

請參考第4圖之方塊圖所示，離子化室之一電極2連接於交替離子化電壓源10。離子化室之電極2或對齊電極2群組是透過電容12，或藉由直接或阻抗耦合而連接於交替離子化電壓源10。較佳地，離子化電極2是電容連接至高電壓源10，且反電極3是直接或透過一電流監視電路13接地。正負離子雲14在電場的影響下而在此等電極2與3之間之該一間隙距離G內振盪。

請參考圖5a及5b，所示為用以說明離子化室中的電壓波形與形成於被激發電極間之離子化室中的離子雲移動之曲線圖或圖示。第5a圖顯示高電壓V(t)與時間(t)在一梯形波形之一週期中的相依性，舉例而言，由高電壓源10所提供。當然，具有一正弦波、方或其他週期波形的交流電壓可施加於離子化室1之電極。第5b圖顯示，舉例而言，具有一濃度(＋)(N)之正離子及具有一濃度(－)(N)之負離子的氣體之移動與形成離子雲其位置，係隨時間取決於時變施加電壓產生之電場。

當電壓V(t)在正半週隨時間上升至一臨限位準Vo時，會開始正極之電暈放電。此臨限電壓Vo即為電暈啟始電壓且為一些包含離子化室外型之參數的函數。在電極間之電壓是高於Vo的此時間週期期間，電暈放電產生一例如包含正極的離子雲。由於電極間之電位梯度，亦會在間隙區域中存在一電場，且離子雲會對應此電場離開離子化電極2（在正極期間），並離開反電極3（在負極期間）。離子雲之移動速度是取決於離子遷動率μ，而離子遷動率μ之定義為每單位電場強度之一離子速度。在大部分的狀況下，在離子經過電極間之間隙時間期間，離子遷動率可視為相當固定。對大部分氣體，離子遷動率μ被方便地報告。離子遷動率之平均值是依據離子電荷之極性，且隨氣體分子組成與物理參數如溫度及壓力而改變。

依據本發明，施加於電極之理想電壓與頻率可藉由離子化室1之電暈電極2、3的幾何外型與氣體離子遷動率而定義。

電暈啟始電壓Vo會依據離子化電極之幾何外型、氣體組成、物理參數與施加電壓之極性而改變。此啟始電壓可由計算或是實驗而定義。為証明一雙極電暈放電，施加於離子化室之電極的時變交流電壓V(t)振幅應至少等於或高於最大電暈啟始電壓Vo。在離子化及反電極間之間隙G中的離子漂移速度U(t)為：U(t)＝μE(t) Eq.(1)其中E(t)為隨時間電場且隨在電極間隙之離子雲經過之路徑的電場。為簡化尺寸分析以說明本發明之應用，E(t)可近似於V(t)/G，故漂移速度可近似於：U(t)＝μx(V(t)/G) Eq.(2)其中μ為上述雲之平均離子遷動率，為簡化，可視為正離子與負離子之離子的平均遷動率。

一般空氣在一大氣壓力且溫度為21℃時之μ值約為1.5×10^{－ 4} (m² /V*s)。實際上，數值計算可用以更精確地描述在給定之離子化室與氣體組合的E與μ值的統計分佈。

當所施加之電壓V掉到低於電暈啟始電壓Vo之位準時，離子雲會在結果電場之影響下繼續移動一段時間，直到所施加的電壓改變極性。從此時間後，離子雲開始往離子化電極3漂移。最後，所施加的電壓到達負離子化臨界，並開始射出負離子。此時，正離子雲繼續往離子化電極漂移並與射出之負離子混合及再結合。當繼續負半週時，

負離子雲同樣離開離子化電極且其漂移速度如上述之Eq.(1)所示。離子雲在形成間隙之電極間傳輸出去及回來所需的時間為離子在離子化室內的滯留時間T。此滯留時間也是一統反量，其描述離子從射出直到移除，不論是否在一帶電物體之電場、或藉由氣體流、或藉由再結合及與電極之碰撞的影響下。

在離子化室之電暈放電的輸出可藉由在配合滯留時間之交替電壓的頻率下，提供正與負帶電離子雲，而達到最佳化。此會產生在電極間之中間區域振盪之離子雲。實際上，這代表在離子化電極附近產生的離子雲，在時間T之週期內會穿過間隙之中間區域，其中：T＝G/(2U(t))＝G/(2μE(t)) Eq.(3)此可藉由等式(2)來近似：T＝G² /(2μV(t)) Eq.(4)因此，為使離子雲在間隙之中間區域振盪，在一完整週期內所施加之離子化電壓之頻率f為：f＝1/2T＝U(t)/G＝(μV(t))/G² Eq.(5)等式(5)顯示為在一較高施加電壓時提供最大離子化室效率，有需要提升頻率。此外，離子遷動率與離子組成、溫度及壓力相當有關。因此，在較高之離子遷動率的狀況下，應增加所施加電壓之頻率。再者，為避免使用太高頻之頻率，電極間之間隙應加大。

舉例而言，空氣在正常氣壓之狀況下的平均離子遷動率接近μ＝1.5×10^{－ 4} m² /V*s，且尖端之平均電暈啟始電壓約為Vo＝4000V，因此，所施加之電壓應該約為V＝6000V，而離子化室之電極間的間隙可為G＝1.5×10^{－ 2} m。應用等式(5)可得到空氣離子化室在周遭氣壓條件下之最佳頻率為f＝4kHz。

對於振盪於電暈電極間之間隙的中間區域的離子雲而言，離子損失可歸因於往相對極性之電極的遷移將會減少。此外，電子雲不會直接離開離子化電場，但會在中間區域周圍振盪，因此，一帶電物體之靜電場可輕易地由離子化室之電暈間隙獲得離子，以提供高效率之靜電中和，而此可藉由相對低密度靜電場使離子往帶電物體移動而達成。在此方式，離子中和可使一接近間隙之具有低殘留電荷位準之帶電物體放電。

在許多狀況下，帶電物體不能被置於接近一離子化室處。為從離子化室較長距離提供離子，此室可置於接近空氣或氣體移動裝置處。因此，一離子化室可置於如風扇9、9a之氣體移動裝置之下游或上游，且離子化室可為空氣動力地配置，使氣體或空氣流可穿透。如此，振盪於電極間之間隙的中間區域之離子雲可輕易地在空氣或氣體氣流中移動，並可較長距離提供至帶電物體。因此，隨著較低氣體氣流與較少氣體消耗，在一離子化室及一帶電物體間之較長距離的有效的電荷中和可達到。

對於施加於一離子化室之交流電壓，電容耦合12可用於高電壓源10與離子化電極2之間。電容耦合於具有接地反電極之離子化電極之傳統高壓之線頻率源(50－60Hz)不可用於提供電性平衡離子流，但反之一般產生具有明顯正極補償的輸出離子可部分歸因於正負離子不同的遷動率。

反之，依據本發明，在電暈電極間的中間區域連續地振盪，並包含至離子化電極2之電容連結的離子雲提供離子自平衡。更仔細而言，針對某些原因，累積於振盪離子雲之一電極之額外數目的離子，會位於離子化電極以透過電容耦合12沈積於該離子化電極而建立一偏壓補償，此電容耦合12藉由改變偏壓補償與用以達到Vo所需之時變高頻電壓之組合值以恢復雲中之離子平衡。此反電極3可接地或以電流或電壓感應電路13而連接至地，如前所述。

因此，本發明之方法及裝置在離子化室之中間區域內建立一平衡的正負離子之振盪雲，在離子化室中可有效地獲得離子且離子會透過低靜電場或空氣或其他氣體之流動氣流而朝向一帶電物體移動。

1．．．離子化室

2．．．電極

3．．．電極

4．．．支撐

5．．．物體

6．．．離子化電極

6．．．離子化電暈線

6．．．線

6a．．．介電表面塗層

7．．．反電極

8．．．反電極

9．．．風扇

9．．．裝置

9．．．上游

9a．．．下游

10．．．高電壓源

10．．．源

12．．．電容器

12．．．電容耦合

13．．．電流監視電路

13．．．電流或電壓感測電路

14．．．雲

G．．．間隙距離

第1圖所示為一離子化室中使用一或多個尖的離子電極之剖面圖；第2圖所示為一離子化室中使用一個薄電暈線型式之離子電極的剖面圖；第2a圖所示為圖2中所示之電暈電極的剖面圖；第3圖所示為一鄰近於氣體或空氣移動裝置之離子化室的剖面圖；第4圖所示為連接於一交替離子電壓源之離子化室的方塊圖；以及第5a及5b圖所示為離子化室中的電壓波形與離子雲移動。

2、3．．．電極

4．．．支撐

5．．．物體

G．．．間隙距離

10．．．源

12．．．電容耦合

13．．．電流或電壓感測電路

14．．．雲

Claims (23)

1. 一種於模組內之氣體中產生離子之方法，該模組包含一對被一間隙隔開之電極，該間隙係設置使氣體從中通過，該方法包含下列步驟：施加交替離子化電壓於該等電極，以於該等電極間之該間隙內產生正離子及負離子；以及選擇該交替離子化電極之頻率，使該等正離子及該負離子實質上聚集於該間隙內之中央。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包含：在考慮所產生之該離子之遷動率的狀況下，選擇該離子化電壓之振幅，使該離子化電壓之頻率為：μ*V(t)/G² 其中，μ為離子遷動率，V(t)是離子化電壓之振幅，而G是該些電極間之該間隙的尺寸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包含：選擇該離子化電壓之頻率，使該間隙內產生之離子的滯留時間實質上為：f=1/2T其中，f是頻率，而T是離子滯留時間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包含：選擇性地由該間隙內移動所產生之該等離子。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，包含：經由該間隙導入流動氣體，以於該流動氣體中由該間隙內傳輸所產生之該離子。
6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，包含：對應配置於該間隙附近之一帶電物體之一靜電場，由該間隙內移動所產生之該等離子。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該交替離子化電壓係電容耦合於該對電極至少其中之一，以自平衡該間隙內之該等正離子及負離子之產生。
8. 如申請專利範圍第5項所述之方法，包含使該氣體在實質上未受阻的氣流中通過該間隙。
9. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該間隙係空氣動力地配置，使該氣體在實質上未受阻的狀況下通過該間隙。
10. 一種於氣體中產生正離子及負離子供應的裝置，該裝置包含：一模組，包含一對被一間隙隔開之電極，該間隙具有一選定之尺寸且設置使氣流從中通過；一交替離子化電壓源，耦合於該對電極，以提供該對電極在一選定頻率下之具有交替極性的時變電壓，以產生實質上聚集於該間隙內中央的正離子及負離子。
11. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，其中該頻率係選為：μ*V(t)/G² 其中，μ為離子遷動率，V(t)是時變離子化電壓之振幅，而G是該間隙的尺寸。
12. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，其中該源在一頻率 下提供交替離子化電壓，以使該間隙內產生之離子的滯留時間實質上為：f=1/2T其中，f是頻率，而T是離子滯留時間。
13. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，包含：一流動氣體源，以由該間隙內傳輸所產生之該等離子。
14. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中該流動氣體係為空氣；及包含相對於該間隙配置之一風扇，以在一氣流中由該間隙內傳輸所產生之該等離子。
15. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，其中該間隙是鄰近於一帶電物體，以對應該帶電物體之一靜電場，由該間隙內移動所產生之該等離子。
16. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，包含該交替離子化電壓源與該對電極至少其中之一的電容耦合，以自平衡該間隙內該等正離子及負離子之產生。
17. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，其中該間隙係空氣動力地配置，使該氣體在實質上未受阻的狀況下通過該間隙。
18. 一種產生正離子及負離子之裝置，包含：電極機構，用以形成一間隙，使流動之空氣從中通過；源機構，耦合於該電極機構，並在一選定之頻率下提供該電極機構交替之離子化電壓，使所產生之離子實質上保持聚集在該間隙內中央。
19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該頻率係選為：μ*V(t)/G² 其中，μ為離子遷動率，V(t)是離子化電壓之振幅，而G是該間隙的尺寸。
20. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該源機構係電容耦合於該電極機構。
21. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中所產生之該等離子係選擇性地由該間隙內傳輸。
22. 如申請專利範圍第21項所述之裝置，其中所產生之該離子對應於一鄰近該間隙之靜電場被傳輸。
23. 如申請專利範圍第21項所述之裝置，包含使氣體流經該間隙之機構，以於該流動氣體中由該間隙內傳輸所產生之離子。