TWI458213B - 微脈衝雙極電暈游離裝置與方法 - Google Patents

微脈衝雙極電暈游離裝置與方法 Download PDF

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Description

微脈衝雙極電暈游離裝置與方法
本發明係關於用於減少或中和帶電物件上的正靜電荷及負靜電荷之微脈衝雙極電暈游離裝置。更特定言之,本發明係關於微脈衝雙極電暈游離裝置,該微脈衝雙極電暈游離裝置具有:離子平衡控制電路;火花突波抑制器及電暈活性電路;相對較低的發射極污染速率;相對較低的電暈副產物發射,該等電暈副產物諸如臭氧、氮氧化物及類似物;或此等特徵結構之任何組合。
AC電暈游離裝置通常用於帶電物件之靜電荷中和。然而,此等游離裝置易於進行相對較高的電暈副產物發射(諸如,空氣中的臭氧及氮氧化物發射)及發射極受周圍環境污染之高速率。發射極污染降低游離效率且可影響離子平衡,而臭氧為已知的健康危害。因此,需要用於靜電荷中和之解決方案,該解決方案具有相對較低的發射極污染速率、相對較低的臭氧發射、離子平衡控制,或上述之任何組合。
根據本發明之一個實施例,揭示一種用於靜電荷中和 之解決方案,該解決方案包括以下步驟:向游離裝置之發射極提供至少一個脈衝列對。該脈衝列對設置成包括依序列交替的正脈衝列及負脈衝列。正脈衝列包括游離正電壓波形,而負脈衝列包括游離負電壓波形。此等游離正電壓波形及負電壓波形在游離裝置之發射極與參考電極間交替產生電壓梯度,從而藉由電暈放電產生離子雲,該離子雲包括正離子及負離子。
亦揭示本發明之各種替代性實施例,該等替代性實施例包括離子平衡控制電路、火花突波抑制器及電暈活性電路或此等電路之任何組合。
在以下詳細描述中,出於解釋之目的,闡述眾多特定細節,以提供本發明之各種實施例之徹底理解。一般技術者將意識到本發明之此等各種實施例僅為說明性的且無論如何並非意欲為限制性的。本發明之其他實施例將易於對此等受益於本揭示案之熟習此項技術者暗示該等實施例本身。
此外,出於清晰的目的,並未圖示或描述本文所述的實施例之所有常規特徵結構。一般技術者將易於瞭解在任何此種實際實施的發展過程中,實現特定設計目標可能需要眾多實施特定的決策。此等設計目標將因不同實施而不同且因不同開發者而不同。此外,將瞭解,此開 發上的努力可能為複雜且耗時的,但該開發上的努力對於受益於本揭示案之一般技術者將仍然為常規工程任務。
第1圖 揭示微脈衝雙極電暈游離裝置10,該微脈衝雙極電暈游離裝置10使用稱為發射極12 之游離電極;用作參考電極14 之導電元件或結構;電源16 ,該電源16 經設置以向發射極12提供至少一個電壓交變脈衝列對18 ;氣源20 ,該氣源20 經設置以提供氣流22 ;離子平衡電路24 ,該離子平衡電路24 以電氣方式耦接至稱為離子平衡電極之另一電極26 且耦接至共用參考匯流排29 ,諸如接地;以及火花突波抑制器及電暈活性電路28 ,該火花突波抑制器及電暈活性電路28 耦接至參考電極14且耦接至共用參考匯流排29。電源16以電氣方式耦接至共用參考匯流排29、經由共用參考匯流排29耦接至參考電極14,以及耦接至發射極12。脈衝列對18由發射極12接收,且脈衝列對18經由共用參考匯流排29由參考電極14接收。
第2圖 中所見,脈衝列對18包括正脈衝列30 及負脈衝列32 ,該正脈衝列30 與該負脈衝列32 以串行序列交替。上部虛線44 表示正電暈臨限電壓,諸如4.5 kV,且下部虛線46 表示負電暈臨限電壓,諸如(-)4.25 kV。每一正脈衝列30設置成包括游離正電壓波形,該游離正電壓波形具有最大正電壓振幅,該最大正電壓振幅超過用於藉由電暈放電產生正離子之電壓臨限值。類似地, 負脈衝列32設置成包括游離負電壓波形,該游離負電壓波形具有最大負電壓振幅,該最大負電壓振幅超過用於藉由電暈放電產生負離子之電壓臨限值。因此,此等各別游離正電壓波形及游離負電壓波形在發射極12與參考電極14之間的空間38 間交替產生電壓梯度,從而藉由電暈放電產生離子雲,該離子雲包括正離子34 及負離子36
使用脈衝列對之串行序列為至少一個發射極提供有效的雙極游離,該等脈衝列對各自使用正脈衝列及負脈衝列。取決於在發射極間吹出或提供的氣體(諸如, 第1圖 中之氣流22及發射極12)之流率,可調整脈衝列對之數目以最大化目標物件之靜電荷中和或放電。每一脈衝列18之重現率無論如何並非意欲為限制性的。該重現率可相應地調整至 第2圖 中揭示的實施例之所要功率位準,且可在工作因子為0.1%至1%的情況下自每秒一次至每秒數千次設定該重現率。此處術語工作因子亦可稱為每脈衝列時段脈衝列電力開啟相對脈衝列斷電之有效比率,該脈衝列時段諸如脈衝列時段48 。使用自0.1%至1%之工作因子產生極其短暫的電暈放電,從而減少臭氧發射以及減小發射極污染之速率。本文所揭示的本發明之各種實施例產生濃度為約10十億分率(parts per billion;ppb)至15十億分率的臭氧發射,該等濃度比其他類型之已知游離裝置小三至五倍,該等其他類型之已知游離裝置使用高頻高電壓交流電,以藉由電暈放電產 生離子。本文所揭示之各種實施例亦極大地減小粒子吸引至一或更多游離裝置發射極之速率,此舉又減小一或更多發射極之污染速率。
脈衝列對18中正脈衝列30及負脈衝列32之交替串行次序無論如何並非意欲為限制性的。舉例而言,在 第3A圖 中,脈衝列18設置成包括正脈衝列30,該正脈衝列30以交替串行序列繼之以負脈衝列32。或者,如 第3B圖 中所示,脈衝列18可設置成包括負脈衝列32,該負脈衝列32以交替串行序列繼之以正脈衝列30。正離子34及負離子36在此處亦可共同地稱為雙極離子雲40 。使用脈衝列對產生雙極離子雲之電暈游離裝置在此處可稱為微脈衝雙極電暈游離裝置10。
發射極12可由導線之迴路形成,但使用發射極線之迴路無論如何並非意欲為限制性的。諸如尖端電極或其他等效物(未圖示)之任何發射極形狀可用作替代性形狀。發射極12可由任何類型之電極材料製成,該任何類型之電極材料可以支援本文所述之特徵結構所需要的方式導電,該方式包括藉由電暈放電產生離子。因此,發射極12可由組合種類之材料製成,該等材料中之一些可能不完全導電,諸如,半導體、絕緣或此等材料之任何組合。
參考電極14以導電風扇罩之形式實施,但使用此種結構並非意欲為限制性的。例如,單獨的非導電或導電風扇罩可與單獨形成的參考電極組合使用。類似地,藉由使用導電風扇罩來實施離子平衡電極26,但使用此種結 構並非意欲為限制性的。作為替代性實施例(未圖示),單獨的風扇罩可與離子平衡電極26組合使用。可藉由使用具有導電或半導電表面之任何電極來實施離子平衡電極26,且可將離子平衡電極26置放於雙極離子雲40將穿越的位置處,諸如,目標位置42 與藉由電暈放電產生雙極離子雲40的位置之間的位置。針對 第1圖 中所示之特定實施例,雙極離子雲40藉由通常在空間38內的電暈放電產生。正脈衝列30及負脈衝列32在替代性實施例中可分別稱為正微脈衝及負微脈衝。
氣源20可用以增強正離子34及負離子36之混合、增強將正離子34及負離子36遞送至位於目標位置42處的選定目標物件(未圖示)之範圍,以增加目標位置42處的雙極離子雲密度,或氣源20可同時用於上述兩個目的。所示實施例中之氣源20為鼓風機類型,且氣源20採用旋轉風扇來移動空氣或氣體穿過發射極12、參考電極14及離子平衡電極26,該空氣或氣體諸如氣流22。此外,氣源20之使用、類型及置放位置無論如何並非意欲限制本揭示案之範疇及精神。例如,作為替代性實施例而非在 第1圖 中圖示的,氣源20可省略,或若使用氣源20,則將氣源20置放於發射極12之前,以便可吹出或迫使氣體或空氣首先穿過發射極12且隨後穿過參考電極14並向目標位置42瞄準。
此外,可如所示使用風扇型氣源,或在替代性實施例中,可經由管、道、充氣部或噴嘴、佈置於游離桿上的 噴嘴群組、圍繞發射極之至少一部分之噴嘴或類似物(未圖示)來提供壓縮氣體或空氣。此外,氣流22之配置可為空氣、氮氣、其他氣體,或此等氣體之適合於雙極離子雲遞送至目標區域42的任何組合。離子平衡電路24及離子平衡電極26可用以平衡在藉由電暈放電產生雙極離子雲40期間所產生的離子電流。離子平衡電路24耦接至離子平衡電極26、共用參考匯流排29及電源16。離子平衡電路24產生由電源16接收且使用的訊號31 ,以調整由脈衝列對18產生的正極及負極之平衡。離子平衡電路24藉由量測電壓33 來產生訊號31,該電壓33 來源於在操作期間流經離子平衡電極26的正離子及負離子。若電壓33為正,則離子平衡電路24調整訊號31,以便訊號31使電源16產生至少一個脈衝列對,諸如,脈衝列對18,該至少一個脈衝列對產生比正離子更多的負離子。類似地,若電壓33為負,則電源16產生至少一個脈衝列對,該至少一個脈衝列對產生比負離子更多的正離子。火花突波抑制器及電暈活性電路28耦接至參考電極14及共用參考匯流排29,且火花突波抑制器及電暈活性電路28分路可在電壓之火花發生於參考電極14與共用參考匯流排29之間時產生的電流(未圖示)。火花突波抑制器及電暈活性電路28亦提供視覺指示器,該視覺指示器與由微脈衝雙極電暈游離裝置10產生的離子之量成比例而閃爍。
在又一替代性實施例中,為避免使本揭示案過於複雜 化,在 第1圖 中未進行說明的是,火花突波抑制器及電暈活性電路28、離子平衡電路24及離子平衡電極26,或上述兩者皆可自 第1圖 中所示之實施例消除。在另一替代性實施例(未圖示)中,參考電極14可直接耦接至共用參考匯流排29。
第4A圖 為根據本發明之另一實施例的正脈衝列60之振盪器螢幕快照,該正脈衝列60形成脈衝列對之一個部分;以上參閱 第2圖 第3A圖 第3B圖 先前所揭示的脈衝列對18 可設置成包括脈衝列60 ,該脈衝列60 包括兩個非對稱的電壓波形,諸如,在時段68 內以串行方式發生的非游離電壓波形62 及游離電壓波形64 。非游離電壓波形62及游離電壓波形64繼之以較小的負振盪及正振盪69 。負振盪及正振盪69是由用以產生脈衝列60的電源之電路諧振造成的,且負振盪及正振盪69無論如何並不意欲限制本發明。可藉由使用進一步揭示於以下 第5A圖 中的阻尼電路完全減少或消除振盪69。
諸如游離電壓波形64之非對稱電壓波形中之至少一個非對稱電壓波形具有最大電壓振幅70 ,該最大電壓振幅70 超過在微脈衝雙極電暈游離裝置之發射極與參考電極之間的空間內產生離子所必需的電暈放電電壓臨限值,諸如,以上用 第1圖 分別揭示的空間38、發射極12及參考電極14及游離裝置10。由游離電壓波形64產生的此等離子具有與游離電壓波形64使用的電壓之極性相同的極性,該極性在實例中展示為正極性。產生正離 子之游離電壓波形在此處亦可稱為「游離正電壓波形」,諸如游離電壓波形64。術語「非對稱電壓波形」描述順序波形之電壓調變分佈,該等順序波形極性交替且具有不同的最大電壓振幅,該等最大電壓振幅中之一個最大電壓振幅超過藉由電暈放電產生離子所必需的電暈臨限值。舉例而言,非游離電壓波形62之最大振幅72 具有與游離波形64之最大振幅70的極性(正)相反的極性(負)。所示實施例中的非游離電壓波形62發生在游離電壓波形64之前,且該非游離電壓波形62具有不足以藉由電暈放電產生離子的最大振幅72 。具有不足以藉由電暈放電產生負離子的負最大電壓振幅之非游離電壓波形在此處亦可稱為「非游離負電壓波形」,諸如非游離電壓波形62。
諸如 第4A圖 中的脈衝列60之脈衝列包括游離正電壓波形(諸如,游離波形64),該游離正電壓波形為具有正最大電壓振幅之波形,該正最大電壓振幅超過用於產生正離子所必需的電暈放電電壓臨限值,該脈衝列在此處稱為「正脈衝列」。類似地,諸如 第3B圖 中的脈衝列80 之脈衝列包括游離負電壓波形(諸如, 第3B圖 中之游離波形84),該游離負電壓波形為具有負最大電壓振幅之波形,該負最大電壓振幅超過用於產生負離子所必需的電暈放電電壓臨限值,該脈衝列在此處稱為「負脈衝列」。電壓交變脈衝列對(諸如, 第3A圖 第3B圖 中之脈衝列對18)中之正脈衝列60及負脈衝列80之順 序次序無論如何並非意欲為限制性的。舉例而言,在 第3B圖 中,脈衝列對18具有以負脈衝列32開始的脈衝列序列,該負脈衝列32繼之以正脈衝列30。
使用非對稱電壓波形提供用於產生離子之有效方法。雙極離子雲在接近發射極12的區域中振盪,該發射極12可藉由施加力而易於移動,該施加力諸如氣流或疊加的電場。因為離子產生之週期極短,所以電暈副產物(諸如,臭氧及氮氧化物)發射被最小化且發射極12上污染之速率減小。
第4A圖 中之脈衝列60, 第4B圖 中之脈衝列80設置成包括兩個非對稱電壓波形,諸如,非游離電壓波形82 及游離電壓波形84 ,該兩個非對稱電壓波形在時段88 內依序列發生。諸如游離電壓波形84之非對稱電壓波形中之至少一個非對稱電壓波形具有最大電壓振幅90 ,該最大電壓振幅90 超過在微脈衝雙極電暈游離裝置之發射極與參考電極之間的空間內產生離子所必需的電暈放電電壓臨限值,諸如,在以上 第1圖 中分別揭示的空間38、發射極12及參考電極14及微脈衝雙極電暈游離裝置10。
非游離電壓波形82及游離電壓波形84繼之以較小的負振盪及正振盪89 。負振盪及正振盪89藉由用以產生脈衝列80的電源之電路諧振而產生,且負振盪及正振盪89無論如何並非意欲限制本發明,且可減少或消除負振盪及正振盪89。由游離電壓波形84產生的離子具有與 游離電壓波形84使用的電壓之極性相同的極性,該極性在實例中展示為負極性。非游離電壓波形82之最大振幅92 具有與游離電壓波形84之最大振幅90之極性(負)相反的極性(正)。非游離電壓波形82之最大振幅92並不足以藉由電暈放電產生離子。游離電壓波形84在此處亦可稱為「游離負電壓波形」,因為該游離電壓波形84可藉由電暈放電產生負離子。然而,非游離波形82在此處可稱為「非游離正電壓波形」,因為該非游離波形82具有不足以藉由電暈放電產生正離子的正最大電壓振幅。
取決於所使用電源之配置,非游離電壓波形(諸如,非游離電壓波形62或82)具有小於以下游離波形(諸如,對應於相同脈衝列對之游離波形64或84)之上升及下降轉換率之上升及下降轉換率。根據本發明之一個實施例,可將非游離電壓波形設置成具有1微秒與24微秒之間的週期及各自範圍為自每微秒100伏特至每微秒1000伏特之上升及下降轉換率。游離電壓波形(諸如,游離電壓波形64或84)具有各自為近似每微秒1000千伏特至每微秒5000千伏特之上升及下降轉換率及1微秒至12微秒之間的電壓波形寬度。此外,如先前關於 第2圖 第3A圖 第3B圖 所論述的正脈衝列30, 第4A圖 中之每一正脈衝列60產生正離子。類似地,如先前關於 第2圖 第3A圖 第3B圖 所論述的負脈衝列32, 第4B圖 中之每一負脈衝列80產生負離子。
第5A圖 揭示微脈衝游離裝置120 ,該微脈衝游離裝置120 使用線發射極122 、參考電極124 、經設置以提供至少一個電壓交變脈衝列對128 之電源126 、經設置以提供氣流(未圖示)之氣源130 、離子平衡電路132 、離子平衡電極134 、火花突波抑制器電路及電暈活性電路136 。電源126以電氣方式耦接至線發射極122及共用參考匯流排,諸如接地139 ,且電源126經設置以在操作期間將脈衝列對128輸出至線發射極122。脈衝列對128包括脈衝列之串行序列。每一脈衝列具有與電壓交變脈衝列對128中之另一脈衝列之極性相反的極性。在一個實例中,可將脈衝列對128及該脈衝列對128之脈衝列對分別設置成具有與以上先前所述的脈衝列對18、脈衝列60及脈衝列80之功能及特徵相同的功能及特徵。
可將發射極122、參考電極124及氣源130實施為具有與以上關於發射極12、參考電極14及氣源20所述的結構及功能相同的結構及功能。可將電源126、離子平衡電路132、離子平衡電極134及火花突波抑制器136實施為具有與以上先前揭示的電源16、離子平衡電路24、離子平衡電極26及火花突波抑制器及電暈活性電路28之各別功能相同的各別功能,但電源126、離子平衡電路132、離子平衡電極134及火花突波抑制器136在 第5A圖 中圖示為具有特定電路結構。
參閱 第5A圖 第5B圖 ,電源126包括定時電路138 、經設置以接收脈衝組140 的驅動電路142 及初級阻尼電 路146 ,該定時電路138 產生低電壓脈衝組140 ,該低電壓脈衝組140 各自具有相對較短脈衝持續時間144 。驅動電路142包括稱為「雙重延遲電路」之D型正反器電路148 ,該D型正反器電路148 具有雙重反相輸出;切換電路150 ;以及電晶體152154 。在 第5B圖 中進一步圖示脈衝組140。定時電路138及驅動電路142在本揭示案中共同地稱為脈衝驅動電路141。定時電路138包括定時IC155 、二極體156 、電阻器158 、電容器160 及電阻器162 。定時IC 155可藉由使用任何可配置通用定時器來實施,該可配置通用定時器諸如,可購自National Semiconductor(Santa Clara,California)的型號LMC555。
定時IC 155為積體電路,該積體電路經設置以經由時脈輸出163 提供可配置時脈訊號。在此實施例中,此等時脈訊號用作脈衝140。二極體156、電阻器158及電容器160建立脈衝140之脈衝持續時間144(參見 第4圖 第5B圖 )。電阻器162及電容器160設定每一脈衝140之重現率。重現率等於脈衝週期143之反向。在所示實施例中,二極體156可使用具有1N4248之標示程式碼之二極體來實施,而電阻器158及162及電容器160具有以下各別值:1500歐姆、240K歐姆及0.01 μF(微法)。 LMC555之使用、定時電路138之配置及本文所揭示的被動元件之值無論如何並非意欲為限制性的。只要定時電路138可提供脈衝類型,諸如本文所述之脈衝140, 則可使用任何定時電路138。儘管MOSFET類型電晶體之使用無論如何並非意欲限制本發明,但電晶體152及154使用n-通道 MOSFET電晶體來實施。術語低電壓為適合於與本文所述類型之半導體組件一起使用的任何電壓。儘管在本文所揭示的實施例中,使用5伏特及12伏特之正的低電壓,但此半導體組件電壓當前的量值範圍為自5或12,無論是正還是負。
雙重延遲電路148呈D型正反器之形式,該D型正反器具有相對於彼此反向的兩個輸出。雙重延遲電路148可藉由使用購自Fairchild Semiconductor(San Jose,California)的型號MM74C74來實施。雙重延遲電路148經配置以向切換電路150提供兩個時脈訊號。切換電路150可藉由使用通常已知的積體電路來實施,該通常已知的積體電路提供以所示方式佈置的四個雙重輸入及(AND)閘,該通常已知的積體電路諸如,可購自On Semiconductor Corporation(Phoenix,Arizona)的型號MC14081B。
雙重延遲電路148及切換電路150在電晶體152與電晶體154之間交替切換每一脈衝140。驅動電路142接收每一脈衝140,且驅動電路142將每一脈衝140自雙重延遲電路148導引至時脈輸入161 並自每一接收及閘導引至輸入。來自雙重延遲電路148之第一輸出Q耦接至來自該等及閘中的兩個及閘之輸入165 ,且來自雙重延遲電路148之第二輸出(反向Q)耦接至來自該等及 閘中的另外兩個及閘之輸入167 ,並導引至切換電路148之資料插腳。預設及清除插腳耦接至12伏特源極。
在電源126操作期間,且針對所產生的每一脈衝列,脈衝驅動電路141藉由使電流流經高壓變壓器166 之初級線圈164 的一半長達選定的持續時間,來進入充電階段。在此持續時間期間電流穿越初級線圈164之一半,藉由脈衝140之脈衝持續時間144來設定此持續時間,且此持續時間近似等效於脈衝140之脈衝持續時間144。雙重延遲電路148及切換電路150在電晶體152與電晶體154之間交替切換每一脈衝140。當電晶體152之閘在充電階段期間接收脈衝140,使電流自初級線圈164之中心分接點165流經初級線圈末端169 ,此舉在初級線圈164之一半間產生相對較小的負電壓波形且將能量儲存在初級線圈164中及在高壓變壓器166之氣隙及鐵酸鹽(若包括)中時,電源126產生正脈衝列(分別諸如, 第2圖 中之正脈衝列30或 第4A圖 中之正脈衝列60)之非對稱波形。經由變壓器166之匝數比,變壓器166放大此較小的負電壓波形,且變壓器166在次級線圈170 間產生經放大的負電壓波形。此經放大負電壓波形最終作為非游離負電壓波形由線發射極122接收,該非游離負電壓波形形成正脈衝列之部分,該非游離負電壓波形及該正脈衝列分別諸如, 第4A圖 中之非游離負電壓波形62及正脈衝列60。
當短脈衝140之持續時間144失效時,諸如,當到達 脈衝140之後邊緣145、突然關閉電晶體152及在初級線圈164間產生電壓之大的正脈衝(未圖示)時,所儲存能量產生電壓之大的正脈衝。變壓器166放大電壓之此大的正脈衝,且變壓器166在次級線圈170間產生具有正極性之更大的放大游離波形。此大的經放大電壓波形最終作為游離正電壓波形由線發射極122接收,該游離正電壓波形形成正脈衝列之部分,該游離正電壓波形及該正脈衝列分別諸如, 第4A圖 中之游離正電壓波形64及正脈衝列60。游離正電壓波形64繼之以更小的波形,該等更小的波形在不同極性之間振盪且具有隨時間減小的電壓振幅。來自此等後續波形之電壓振幅不會到達游離電壓,因此,該等電壓振幅為非游離電壓波形。此等後續波形由電路諧振引起且可藉由使用初級阻尼電路146來控制、消除或減少。
電源126以類似於產生以上剛剛描述的正脈衝列之方式產生負脈衝列之非對稱電壓波形,該負脈衝列諸如 第2圖 中之脈衝列32或 第4B圖 中之脈衝列80。然而,當雙重延遲電路及切換電路150將脈衝140導引至電晶體154之閘,此舉使脈衝驅動電路141進入充電階段時,電源126產生負脈衝列之此等非對稱波形。在此充電階段期間,電晶體154使電流流經中心分接點165及初級線圈末端171 長達給定持續時間。在 第5A圖 中所示實施例中,在此給定持續時間期間電流穿越初級線圈164,藉由脈衝持續時間144來設定此給定持續時間,且 此給定持續時間近似等效於脈衝持續時間144。
流經中心分接點165及初級線圈末端171之電流在初級線圈164之一半間產生相對小的負電壓脈衝,且該電流將能量儲存在初級線圈165中及在高壓變壓器166之氣隙及鐵酸鹽(若包括)中。在此充電階段期間流經由中心分接點165及初級線圈末端171限定的一半部分初級線圈164的電流之方向與流經另一半部分初級線圈164的電流之方向相反,該另一半部分初級線圈164由中心分接點165及用以產生正脈衝列的初級線圈末端169限定。此外,初級線圈164之此等一半部分兩者皆沿相同方向捲繞。經由變壓器166之匝數比,變壓器166放大此較小的負電壓波形,且變壓器166在次級線圈170 間產生經放大的正電壓波形。此經放大正電壓波形最終作為非對稱電壓波形之非游離波形由線發射極122接收,該非游離波形形成負脈衝列之部分,該非游離波形及該負脈衝列分別諸如, 第4B圖 中之非游離正電壓波形82及負脈衝列80。
當短脈衝140之脈衝持續時間144失效時,諸如,當到達脈衝140之後邊緣145、突然關閉電晶體152及在初級線圈164間產生電壓之大的負脈衝(未圖示)時,所儲存能量產生電壓之大的負脈衝。變壓器166放大電壓之此大的負脈衝,且變壓器166在次級線圈170間產生具有負極性之更大的放大游離波形。此大的經放大電壓波形最終作為非對稱電壓波形之游離負電壓波形由線 發射極122接收,該游離負電壓波形形成負脈衝列之部分,該游離負電壓波形及該負脈衝列分別諸如, 第4B圖 中之游離負電壓波形84及負脈衝列80。游離負電壓波形84繼之以更小的波形,該等更小的波形在不同極性之間振盪且具有隨時間減小的電壓振幅。來自此等後續波形之電壓振幅不會到達游離電壓,因此,該等電壓振幅為非游離電壓波形。此等後續波形由電路諧振引起且可藉由使用初級阻尼電路146來控制、消除或減少。
高壓變壓器166設置成具有次級線圈170與初級線圈164的匝數比介於50比1與5000比1之間。當自電源輸出168 量測時且當電源126配置為在本揭示案之範疇及精神內教示時,電晶體154引起產生負脈衝列,而電晶體152引起產生正脈衝列,該負脈衝列及該正脈衝列共同地形成電壓交變脈衝列對,該電壓交變脈衝列對最終由發射極122接收且由參考電極124經由接地137接收,從而藉由電暈放電產生雙極離子雲,諸如, 第1圖 中之雙極離子雲40。此等正脈衝列及負脈衝列具有與在以上 第4A圖 第4B圖 中先前揭示的正脈衝列60及負脈衝列80之結構及功能相同的結構及功能,該等正脈衝列60及負脈衝列80分別包括一組非對稱波形,諸如,非游離電壓波形62-64及游離電壓波形82-84。
針對在電源輸出168處產生的每一脈衝列,根據以下變數設定游離波形(諸如,游離波形64或84)之最大電壓振幅: 高壓變壓器166之匝數比;高壓變壓器164之初級線圈電感;脈衝持續時間144;在電阻器176 與電容器178 之間的節點174 處之輸入DC電壓172 ;初級阻尼電路146,該初級阻尼電路146包括電阻器180 及電容器182 ;以及若包括離子平衡電路132,則電晶體154與接地137之間的阻抗在 第5A圖 中所示的實例中為電晶體177 之汲極與源極間之電阻。
根據 第5A圖 中所示之本發明之實施例:高壓變壓器166之次級線圈與初級線圈的匝數比範圍可介於50比1與5000比1之間;高壓變壓器164之初級線圈電感為近似48 μH(微亨),其中每半部分近似14 μH;脈衝140之脈衝持續時間144範圍可在一微秒至24微秒之間;電阻器176及電容器178分別為1歐姆至100歐姆及0.1 pF(微微法);以及電晶體177之汲極與源極間的電阻範圍可為自約0.05歐姆至10歐姆。
初級線圈164之電感、由電阻器180及電容器182決定的初級阻尼電路146之電容負載,及由在所示實例中包括線發射極122及參考電極124之電容負載的電源輸 出168所見的電容負載決定串行非對稱波形之波形,諸如,以上關於 第4A圖 第4B圖 先前論述的非游離波形及游離波形62-64或非游離波形及游離波形82-84。此等順序的非對稱的波形包含脈衝列,諸如,脈衝列60或80,且在電源輸出168處由電源126提供此等順序的非對稱波形。在 第5A圖 中,初級線圈164之電感可選定為處於10 μH至100 μH之範圍內,且負載電容可選定為處於3 pF至60 pF之範圍內。本文所揭示的電路元件之所有值及型號並非意欲限制本文所揭示的各種實施例。所使用的實際值將取決於所設計的游離裝置之大小及類型而改變。
由電源126產生的脈衝列設置成具有相對較高的轉換率,且正負脈衝列及負脈衝列可藉由使用相對較小佔據面積的高壓變壓器由電源126以重複順序的方式產生,該使用相對較小佔據面積的高壓變壓器不包括使用乘法器、整流器、和區塊或此等組件之任何組合。可根據所使用的氣流、含有選定用於中和的裝置之目標位置之距離、目標位置處所要離子濃度或此等因子之任何組合來調整每一脈衝列對之脈衝重複率。
第5A圖 中之離子平衡控制電路132包括電晶體177、離子平衡電極134、電阻器184 、電阻器186 及可變電阻188 (有時稱為電位計)及電容器190 。經由電晶體177、電容器190及電位計192,離子平衡控制電路132亦耦接至接地137,如圖所示。當離子流經電極134時,電 阻器184及186在節點192處產生電壓。此電壓由電晶體177之閘所見,從而使電晶體177改變電晶體177在該電晶體177之源極與汲極間的電阻。由電阻器192向電晶體177之閘添加少量偏壓電流,以補償電晶體177之開啟偏壓。電容器190自可影響節點192處產生的離子平衡訊號之脈衝過濾雜訊,而電阻器188可經設定以在離子平衡電極處或可能在目標物件或目標位置(諸如, 第1圖 中之目標位置42)處提供離子流平衡,諸如,零。
例如,若由於任何原因(環境條件之改變、發射極污染或腐蝕及類似原因),來自微脈衝雙極電暈游離裝置120之離子流開始產生更多正離子隨後產生更多負離子,則離子平衡電極134將獲得正電荷。此正電荷產生流經電阻器184、186及188之電流,此舉增加節點192處及電晶體177之閘處的電壓且減小電晶體177之源極與汲極間的電阻。對於由電源126產生的脈衝列對而言,減小電晶體177之源極與汲極間的電阻增加負脈衝列之游離波形之最大電壓振幅,該游離波形及該負脈衝列諸如, 第4B圖 中之游離波形84及負脈衝列80。增加負脈衝列之游離波形之最大電壓振幅增加向負離子之離子平衡。隨著此離子平衡偏向負離子,由電極134獲得的正電壓將開始減小,此舉又將減小節點192處的電壓,節點192處的該電壓由電晶體177之閘所見,直至在離子平衡電極134處產生的正電荷充分減小,以便先 前選定的目標位置處之離子平衡恢復至近似零或恢復至另一預選值為止。
類似地,若電極134間的離子流產生負電壓,則節點192獲得下降的電壓乃至負電壓,從而減小由電晶體177之閘所見的電壓,此舉增加電晶體177在該電晶體177之汲極與源極間的電阻。此舉減小來自負脈衝列的游離波形之最大電壓振幅,此舉又減少負離子之產生,直至電極134處的電壓或電荷充分增加,以便先前選定的目標位置處之離子平衡恢復至近似零或恢復至另一預選值為止。
火花突波抑制器及電暈活性電路136提供火花突波抑制及電暈活性指示器功能。二極體194196 及電容器198 提供火花突波抑制功能。若電壓火花經由參考電極124發生,則二極體194經由接地137分路任何所得負電流,從而保護電晶體200 之基極。任何正的火花突波電流經由二極體196及電容器198向接地137分路。
火花突波抑制器及電暈活性電路136藉由使用電極(諸如,參考電極124)接收來自線發射極122的離子電流且接收來自感應電暈雜訊訊號的任何電流,來提供電暈活性指示器功能,該等來自感應電暈雜訊訊號的任何電流在分隔參考電極與線發射極122的空間之間的參考電極124來回流動。此等電流藉由電感器202 轉換成電壓、藉由二極體196整流以及藉由電容器198過濾,此等舉動共同地產生節點204 處及電晶體200之基極處 之電壓。節點204處的電壓之波動使電晶體200之集極處的電壓與節點204處的電壓近似成比例波動。電阻器206 耦接至集極且耦接至12伏特DC正電壓,且電阻器206充當下拉電阻器。LED208 之陽極末端耦接至電晶體之集極,而發光二極體(LED)208之陰極末端耦接至接地。電晶體200之集極處的電壓之波動使LED 208作為由微脈衝雙極游離裝置120產生的離子電流之函數而快閃或波動。結合替代性實施例或作為替代性實施例,電晶體200之集極處的電壓可由微處理器或等效物(未圖示)作為中斷訊號210取樣或用作中斷訊號210,以賦能該微處理器決定離子產生之狀態。
第6A圖 圖示根據本發明之又一實施例,用於藉由電暈放電產生雙極離子之方法,該電暈放電藉由向發射極提供至少一個脈衝列對。在220處,向游離裝置之發射極提供至少一個脈衝列對,諸如, 第1圖 中之脈衝列對18、發射極12及游離裝置10。將脈衝列對設置成包括依序列交替的正脈衝列及負脈衝列,諸如, 第2圖 中之正脈衝列30及負脈衝列32。正脈衝列包括游離正電壓波形,且負脈衝列包括游離負電壓波形。此等游離正電壓波形及負電壓波形在發射極與參考電極間交替產生電壓梯度,從而藉由電暈放電產生離子雲,該離子雲包括正離子及負離子。
第6B圖 圖示根據本發明之替代性實施例揭示於以上 第6A圖 中的方法之視需要額外的步驟。
在222處,在產生脈衝列之游離波形之前,產生非游離電壓波形。舉例而言(未圖示),可在產生正脈衝列(諸如, 第4A圖 中之正脈衝列60)之游離正波形之前產生非游離負電壓波形。類似地,可在產生負脈衝列(諸如, 第4B圖 中之負脈衝列80)之游離負波形之前產生非游離正電壓波形。
根據在 第6B圖 中揭示的本發明之另一替代性實施例,在224處,藉由在變壓器之初級線圈上儲存能量,來在高壓變壓器之次級線圈上產生非游離電壓波形,該次級線圈、該高壓變壓器及該初級線圈分別諸如, 第5A圖 中之次級線圈170、高壓變壓器166及初級線圈164。在226處,當釋放能量電荷時,產生此初級線圈間之電壓,從而在次級線圈間產生游離電壓波形。
儘管已在特定實施例中描述本發明,但應瞭解,不應將本發明理解為受此等實施例限制。相反地,應根據以下申請專利範圍來理解本發明。
10‧‧‧微脈衝雙極電暈游離裝置
12‧‧‧發射極
14‧‧‧參考電極
16‧‧‧電源
18‧‧‧電壓交變脈衝列對
20‧‧‧氣源
22‧‧‧氣流
24‧‧‧離子平衡電路
26‧‧‧離子平衡電極
28‧‧‧火花突波抑制器及電暈活性電路
29‧‧‧共用參考匯流排
30‧‧‧正脈衝列
31‧‧‧訊號
32‧‧‧負脈衝列
33‧‧‧電壓
34‧‧‧正離子
36‧‧‧負離子
38‧‧‧空間
40‧‧‧雙極離子雲
42‧‧‧目標位置
44‧‧‧上部虛線
46‧‧‧下部虛線
48‧‧‧脈衝列時段
60‧‧‧正脈衝列
62‧‧‧非游離電壓波形
64‧‧‧游離電壓波形
68‧‧‧時段
69‧‧‧負振盪及正振盪/振盪
70‧‧‧最大電壓振幅
72‧‧‧最大振幅
80‧‧‧脈衝列
82‧‧‧非游離電壓波形
84‧‧‧游離電壓波形
88‧‧‧時段
89‧‧‧負振盪及正振盪
90‧‧‧最大電壓振幅
92‧‧‧最大振幅
120‧‧‧微脈衝游離裝置
122‧‧‧線發射極
124‧‧‧參考電極
126‧‧‧電源
128‧‧‧電壓交變脈衝列對
130‧‧‧氣源
132‧‧‧離子平衡電路
134‧‧‧離子平衡電極
136‧‧‧火花突波抑制器電路及電暈活性電路
137‧‧‧接地
138‧‧‧定時電路
140‧‧‧脈衝組
141‧‧‧脈衝驅動電路
142‧‧‧驅動電路
143‧‧‧脈衝週期
144‧‧‧脈衝持續時間
145‧‧‧後邊緣
146‧‧‧初級阻尼電路
148‧‧‧D型正反器電路/雙重延遲電路
150‧‧‧切換電路
152‧‧‧電晶體
154‧‧‧電晶體
155‧‧‧定時IC
156‧‧‧二極體
158‧‧‧電阻器
160‧‧‧電容器
161‧‧‧時脈輸入
162‧‧‧電阻器
163‧‧‧時脈輸出
164‧‧‧初級線圈
165‧‧‧輸入/中心分接點
166‧‧‧高壓變壓器
167‧‧‧輸入
168‧‧‧電源輸出
169‧‧‧初級線圈末端
170‧‧‧次級線圈
171‧‧‧初級線圈末端
172‧‧‧輸入DC電壓
174‧‧‧節點
176‧‧‧電阻器
177‧‧‧電晶體
178‧‧‧電容器
180‧‧‧電阻器
182‧‧‧電容器
184‧‧‧電阻器
186‧‧‧電阻器
188‧‧‧可變電阻
190‧‧‧電容器
192‧‧‧電位計
194‧‧‧二極體
196‧‧‧二極體
198‧‧‧電容器
200‧‧‧電晶體
202‧‧‧電感器
204‧‧‧節點
206‧‧‧電阻器
220‧‧‧步驟
222‧‧‧步驟
224‧‧‧步驟
226‧‧‧步驟
第1圖 為根據本發明之一個實施例的微脈衝雙極電暈游離裝置之簡化分解透視圖; 第2圖 為根據本發明之又一實施例的一系列脈衝列對之振盪器螢幕快照,其中每一脈衝列對包括正脈衝列及負脈衝列; 第3A圖 以方塊圖形式圖示根據本發明之實施例之正脈衝列及負脈衝列之序列,該等正脈衝列及負脈衝列包含隨時間( T )的脈衝列對; 第3B圖 以方塊圖形式圖示根據本發明之替代性實施例的負脈衝列及正脈衝列之序列,該等負脈衝列及正脈衝列包含隨時間(T ) 的脈衝列對; 第4A圖 為根據本發明之另一實施例的正脈衝列之振盪器螢幕快照,該正脈衝列形成脈衝列對之一個部分; 第4B圖 為根據本發明之又一實施例的負脈衝列之振盪器螢幕快照,該負脈衝列形成脈衝列對之一個部分; 第5A圖 為根據本發明之又一實施例的微脈衝雙極電暈游離裝置之電路圖; 第5B圖 第5A圖 中所示的脈衝之示例性展開圖; 第6A圖 圖示根據本發明之又一實施例,用於藉由電暈放電產生雙極離子之方法,該電暈放電藉由向發射極提供至少一個脈衝列對;以及 第6B圖 圖示根據本發明之替代性實施例揭示於以上 第6A圖 中的方法之視需要額外的步驟。
10‧‧‧微脈衝雙極電暈游離裝置
12‧‧‧發射極
14‧‧‧參考電極
16‧‧‧電源
18‧‧‧電壓交變脈衝列對
20‧‧‧氣源
22‧‧‧氣流
24‧‧‧離子平衡電路
26‧‧‧離子平衡電極
28‧‧‧火花突波抑制器及電暈活性電路
29‧‧‧共用參考匯流排
31‧‧‧訊號
33‧‧‧電壓
34‧‧‧正離子
36‧‧‧負離子
38‧‧‧空間
40‧‧‧雙極離子雲
42‧‧‧目標位置

Claims (20)

  1. 一種用於在分隔一發射極與一參考電極的一空間內產生離子之設備,該設備包含:一發射極;一參考電極;一電源,該電源經設置以向該發射極提供至少一個脈衝列對,該脈衝列對包括依序列交替的一正脈衝列及一負脈衝列,且該正脈衝列包括一游離正電壓波形且該負脈衝列包括一游離負電壓波形;其中該等游離正電壓波形及負電壓波形在該發射極與該參考電極之間交替產生電壓梯度,從而藉由電暈放電產生一離子雲,該離子雲包括正離子及負離子;以及其中至少一個該等脈衝列進一步包括一第一極性非游離電壓波形隨後跟著一相反極性游離電壓波形。
  2. 如請求項1所述之設備,其中該正脈衝列進一步包括一第一非游離負電壓波形,該第一非游離負電壓波形在該游離正波形之前發生。
  3. 如請求項2所述之設備:該電源包括一變壓器,該變壓器具有初級線圈及一次級線圈,該電源經設置以藉由在該初級線圈上儲存能量來在該次級線圈上產生該第一非游離負電壓波形,且該電源經設置以在釋放該能量時在 該初級線圈間產生一電壓,從而在該次級線圈間引起產生該游離正波形。
  4. 如請求項3所述之設備,其中該正脈衝列進一步包括一第二非游離負電壓波形,藉由由該電壓所引起的一電路諧振產生該第二非游離負電壓波形。
  5. 如請求項4所述之設備,該設備進一步包括:一阻尼電路,該阻尼電路耦接至該變壓器且經設置以減少非游離電壓波形,在藉由該電路諧振產生該第二非游離負電壓波形之後藉由該電路諧振產生該等非游離電壓波形。
  6. 如請求項3所述之設備,該設備進一步包括:一阻尼電路,該阻尼電路耦接至該變壓器且經設置以減少非游離電壓波形,在產生該游離正電壓波形之後藉由該電路諧振產生該等非游離電壓波形。
  7. 如請求項1所述之設備,其中該電源包括一初級線圈及一次級線圈,該電源經設置以藉由使一電流流經該初級線圈之一部分長達一第一持續時間且在該第一持續時間失效之後藉由使另一電流流經該初級線圈之另一部分長達一第二持續時間,來在該次級線圈上交替產生該等正脈衝列及負脈衝列。
  8. 如請求項7所述之設備,其中該等第一持續時間與第二持續時間相等。
  9. 如請求項1所述之設備:該電源包括一初級線圈及一次級線圈,該初級線圈具有一第一初級線圈末端、一第二初級線圈末端及一中心分接點,且該次級線圈以電氣方式耦接至該發射極及該參考電極;以及該電源經設置以藉由交替使一第一電流流經該第一末端及該中心分接點及使一第二電流流經該第二末端及該中心分接點,來在該次級線圈上交替產生該等正脈衝列及負脈衝列。
  10. 如請求項9所述之設備:該等初級線圈及次級線圈為高壓升壓變壓器之部分,且該次級線圈包括一第一次級線圈末端及一第二次級線圈末端,該第一次級線圈末端以電氣方式耦接至該發射極,該第二次級線圈末端以電氣方式耦接至該參考電極;該正脈衝列進一步包括一第一非游離負電壓波形;該設備進一步包括一脈衝驅動電路,該脈衝驅動電路經設置以產生該等第一電流及第二電流長達一持續時間;且 其中在該持續時間期間在該次級線圈上產生該第一非游離負電壓波形,且當該持續時間失效時在該次級線圈上產生該游離正波形。
  11. 如請求項2所述之設備,該第一非游離負波形經設置具有一升高轉換率及一下降轉換率,該升高轉換率及該下降轉換率分別小於該游離正波形之一升高轉換率及一下降轉換率。
  12. 如請求項1所述之設備,其中該電源以一重現率產生該脈衝列對,該重現率處於每秒一次至每秒4000次之範圍內,且該電源使用自該脈衝列對之0.1%至1%之一工作因子。
  13. 如請求項12所述之設備,該設備進一步包括以下各物之任何組合:一氣源,且該電源經設置具有該重現率,該重現率為由該氣源移動的氣體之一速度之一函數;一離子平衡電路,且該電源回應該離子平衡電路,包括藉由改變該游離負電壓波形之一振幅;以及一火花突波抑制器及離子活性電路,該火花突波抑制器及離子活性電路以電氣方式耦接於該參考電極與一共用參考匯流排之間。
  14. 一種用於在分隔一發射極與一參考電極的一空間內產生離子之方法,該方法包含以下步驟:向該發射極提供至少一個脈衝列對,該脈衝列對包括依序列交替的一正脈衝列及一負脈衝列,且該正脈衝列包括一游離正電壓波形且該負脈衝列包括一游離負電壓波形;其中該等游離正電壓波形及負電壓波形在該發射極與該參考電極間交替產生電壓梯度,從而藉由電暈放電產生一離子雲,該離子雲包括正離子及負離子;以及其中至少一個該等脈衝列進一步包括一第一極性非游離電壓波形隨後跟著一相反極性游離電壓波形。
  15. 如請求項14所述之方法,該方法進一步包括以下步驟:在產生該游離正波形之前產生一第一非游離負電壓波形。
  16. 如請求項15所述之方法,該方法進一步包括以下步驟:藉由在該變壓器之一初級線圈上儲存能量來在一高壓變壓器之一次級線圈上產生該第一非游離負電壓波形,且在釋放該能量時在該初級線圈間產生一電壓,該產生一電壓在該次級線圈間引起產生該游離正波形。
  17. 如請求項16所述之方法,其中在該初級線圈間產生該電壓之該步驟進一步在一電源內引起一電路諧振,該電源包括該等初級線圈及次級線圈,該電路諧振引起產生 該第二非游離波形;以及該正脈衝列進一步包括該第二非游離負電壓波形。
  18. 如請求項17所述之方法,該方法進一步包括以下步驟:減少非游離電壓波形,在產生該第二非游離負電壓波形之後,藉由該電路諧振產生該等非游離電壓波形。
  19. 如請求項17所述之方法,該方法進一步包括以下步驟:減少非游離電壓波形,在產生該游離正電壓波形之後,藉由該電路諧振產生該等非游離電壓波形。
  20. 如請求項14所述之方法,該方法進一步包括以下步驟:藉由使一電流流經該變壓器之一初級線圈之一部分長達一第一持續時間且在該第一持續時間失效之後藉由使另一電流流經該初級線圈之另一部分長達一第二持續時間,來在一變壓器之一次級線圈上交替產生該等正脈衝列及負脈衝列。
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