JP2006501630A - Electrostatic fluid accelerator and method for controlling fluid flow - Google Patents
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Abstract
流体を処理するための装置はコロナ放電装置(602)および電源(601)を含む。コロナ放電装置(602)は、所定の範囲内の電極間の合計のキャパシタンスを提供するように互いに近くに位置付けられる少なくとも1つのコロナ放電電極(603)および少なくとも1つのコレクタ電極(605)を含む。電源(601)は電力信号をコロナ放電電極およびコレクタの電極(603,605)に供給するように接続されるため、コロナ電流がコロナ放電電極とコレクタの電極(603,605)との間に流れる。生成される電力信号の電圧の交流成分の振幅は電力信号の電圧の直流成分の振幅の10分の1を超えない。電圧の交流成分はそのような振幅および周波数であるため、電圧の最も高い高調波の交流成分の振幅を電圧の直流成分の振幅で除した比率は、コロナ電流の交流成分の最も高い高調波の振幅をコロナ電流の直流成分の振幅で除した比率を大きく下回り、すなわち、(Vac/Vdc)<(Iac/Idc)である。The apparatus for treating fluid includes a corona discharge device (602) and a power source (601). The corona discharge device (602) includes at least one corona discharge electrode (603) and at least one collector electrode (605) positioned close to each other to provide a total capacitance between the electrodes within a predetermined range. Since the power source (601) is connected to supply a power signal to the corona discharge electrode and collector electrodes (603, 605), a corona current flows between the corona discharge electrode and the collector electrodes (603, 605). . The amplitude of the AC component of the voltage of the generated power signal does not exceed one tenth of the amplitude of the DC component of the voltage of the power signal. Since the AC component of the voltage is such an amplitude and frequency, the ratio of the amplitude of the AC component of the highest harmonic of the voltage divided by the amplitude of the DC component of the voltage is the ratio of the highest harmonic of the AC component of the corona current. The ratio obtained by dividing the amplitude by the amplitude of the direct current component of the corona current is greatly lower, that is, (Vac / Vdc) <(Iac / Idc).
Description
関連出願
スパーク管理の方法および装置と題される、2002年7月3日に出願された連続番号第10/187,983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、2003年1月28日に出願された連続番号第10/352,193号、静電流体加速器と題される、1999年10月14日に出願された連続番号第09/419,720号、流体の流れの静電流体加速の制御のための方法および装置と題される、2002年6月21日に出願された連続番号第10/175,947号、および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日に出願された連続番号第10/188,069号の特許のすべてを全体としてここに引用により援用する。
Entitled RELATED APPLICATIONS spark management method and apparatus, serial number filed on July 3, 2002 No. 10 / 187,983, entitled electrostatic fluid accelerator and a method for controlling the flow of fluid Serial No. 10 / 352,193, filed January 28, 2003, entitled Electrostatic Fluid Accelerator, Serial No. 09 / 419,720, filed Oct. 14, 1999 No. 10 / 175,947, filed on June 21, 2002, entitled Method and Apparatus for Controlling Electrostatic Fluid Acceleration of Fluid Flow, and Controlling Fluid Flow No. 10 / 188,069, filed Jul. 3, 2002, all of which are hereby incorporated by reference in their entirety.
発明の背景
1.発明の分野
この発明は、コロナ放電の発生のための方法および装置に関し、特に、流体の運動および制御のためにイオンおよび電界を使用した、流体、特に空気に速度および運動量を与えるための流体の加速のための方法および装置に関する。
Background of the Invention
1. FIELD OF THE INVENTION This invention relates to a method and apparatus for the generation of corona discharges, and more particularly to the use of ions and electric fields for fluid movement and control, particularly for fluids for imparting velocity and momentum to air. It relates to a method and apparatus for acceleration.
2.先行技術の説明
いくつかの特許(たとえば、シャノンらの米国特許第4,210,847号、およびスパージオンの第4,231,766号を参照)は、コロナ放電を使用してイオンを発生し、粒子を帯電させることができるという事実を認めている。そのような方法は、Chapman & Hall(1997)によって出版されたApplied Electrostatic Precipitationに記載されるように静電集塵器および電気巻上機で広く使用されている。コロナ放電装置は、電極の対、たとえば、コロナ放電電極とアトラクタ電極との対に高電圧を印加することによって生成することができる。その場合、コロナ放電は、高電圧電源を電極の対に印加することによって生成される。電極は、(コロナ放電電極と呼ばれる)電極の1つの近位に不均一な電界を生成して、コロナ、および近くの相補的な電極(コレクタ電極またはアトラクタ電極と呼ばれる)に向かう、結果的なコロナ電流を生成するように構成および配置される。必要なコロナ放電電極の幾何学的形状は、典型的には、コロナ電流の流れの方法に向かうように向けられた、すなわち、コレクタ電極またはアトラクタ電極に面する、鋭い点または縁(edge)を必要とする。
2. DESCRIPTION OF THE PRIOR ART Some patents (see, for example, Shannon et al. US Pat. No. 4,210,847 and Spargeon 4,231,766) use corona discharge to generate ions. Admits the fact that the particles can be charged. Such a method is widely used in electrostatic precipitators and electric hoists as described in Applied Electrostatic Precipitation published by Chapman & Hall (1997). A corona discharge device can be generated by applying a high voltage to a pair of electrodes, for example, a pair of a corona discharge electrode and an attractor electrode. In that case, the corona discharge is generated by applying a high voltage power supply to the pair of electrodes. The electrode creates a non-uniform electric field proximal to one of the electrodes (referred to as the corona discharge electrode) and leads to the corona and the nearby complementary electrode (referred to as the collector or attractor electrode) Configured and arranged to generate a corona current. The required corona discharge electrode geometry is typically oriented towards the corona current flow method, i.e. with a sharp point or edge facing the collector or attractor electrode. I need.
したがって、少なくともコロナ放電電極は、電極の近傍で必要な電界の勾配を生成するように小さいか、または鋭い点もしくは縁を含まなければならない。コロナ放電は、より低いコロナ開始電圧とより高い破壊(またはスパーク)電圧との間の比較的狭い電圧の範囲で起きる。コロナ開始電圧より下方では、コロナ放電電極からイオンは放出されず、したがって、空気の加速は生成されない。一方、印加された電圧が絶縁破壊またはスパークのレベルに近づくと、スパークおよび電気的なアークが生じ、コロナ放電のプロセスを中断し、不快な電気的なアーク音を生じ得る。したがって、これら値の間で、特に流体の加速が最も効率的であるスパークレベルに近いがそのわずかに下方で高電圧を維持することが一般的に有利である。 Therefore, at least the corona discharge electrode must be small or contain sharp points or edges to produce the required electric field gradient in the vicinity of the electrode. Corona discharge occurs in a relatively narrow voltage range between a lower corona onset voltage and a higher breakdown (or spark) voltage. Below the corona onset voltage, no ions are ejected from the corona discharge electrode and thus no air acceleration is generated. On the other hand, when the applied voltage approaches the level of breakdown or spark, sparks and electrical arcs can occur, interrupting the corona discharge process and creating an unpleasant electrical arc sound. Therefore, it is generally advantageous to maintain a high voltage between these values, particularly near the spark level where fluid acceleration is most efficient, but slightly below it.
静電装置でのスパークの問題に対処する特許がいくつかある。たとえば、ベーカーの米国特許第4,061,961号は、2段の静電集塵器の電源の動作周期を制御するための回路を説明している。この回路は、電源変圧器の一次巻線に直列に接続される切換装置と、切換装置を制御するように動作可能な回路とを含む。電源変圧器の一次巻線の電流を監
視するように適合された容量性ネットワークが制御回路を動作するために設けられる。通常の動作条件では、すなわち、電源変圧器の一次巻線の電流が定格の限界内であるときは、容量性ネットワークは電流が電源変圧器の一次巻線を通って流れるように制御回路を動作する。しかしながら、集塵器の構成要素間のアークによって生成され、かつ電源変圧器の二次巻線からその一次巻線へ反射される高電圧の過渡現象に関連する一次電流レベルの増加を検出すると、容量性ネットワークは制御回路を動作する。応答して、制御回路は、高電圧の過渡現象に関連するアーク状態がなくなるかまたは抑制されるまで、切換装置に変圧器の一次巻線を通る電流の流れを抑制させる。高電圧の過渡現象の終了後、ある時間間隔に続いて、切換装置は、一次巻線への電源を自動的に再確立し、これにより静電集塵器の電源の通常動作を再開する。
There are several patents that address the problem of sparks in electrostatic devices. For example, Baker US Pat. No. 4,061,961 describes a circuit for controlling the operating cycle of a two stage electrostatic precipitator power supply. The circuit includes a switching device connected in series with the primary winding of the power transformer and a circuit operable to control the switching device. A capacitive network adapted to monitor the current in the primary winding of the power transformer is provided for operating the control circuit. Under normal operating conditions, ie when the current in the primary winding of the power transformer is within the rated limits, the capacitive network operates the control circuit so that current flows through the primary winding of the power transformer. To do. However, upon detecting an increase in the primary current level associated with a high voltage transient that is generated by an arc between the components of the dust collector and reflected from the secondary winding of the power transformer to its primary winding, The capacitive network operates the control circuit. In response, the control circuit causes the switching device to suppress the flow of current through the primary winding of the transformer until the arc condition associated with the high voltage transient is eliminated or suppressed. Following the end of the high voltage transient, following a certain time interval, the switching device automatically re-establishes power to the primary winding, thereby resuming normal operation of the electrostatic precipitator power source.
ベーカーらの米国特許第4,156,885号は、持続する過負荷が検出された後に動作可能な静電集塵器の電源のための自動電流過負荷保護回路について記載している。 Baker et al., U.S. Pat. No. 4,156,885, describes an automatic current overload protection circuit for an electrostatic precipitator power supply operable after a sustained overload is detected.
ウェーバーの米国特許第4,335,414号は、静電集塵器の空気清浄器の電源のための自動電子リセット電流カットオフについて記載している。保護回路は、一次電力巻線、比較的高電圧を提供する二次巻線、および比較的低電圧を提供する三次巻線を有する鉄共振形変圧器を使用して電源を保護する。保護回路は、高電圧から得られた電圧を検知し、検知電圧を固定された基準と比較することにより、イオン化器またはコレクタセルでの過負荷の場合に電源の動作を抑制するように動作する。検知電圧が所定の値を下回るとき、一次の変圧器を通る電流の流れは所定の時間だけ抑制される。電流の流れは自動的に復旧され、回路は障害が解消されるまで周期的に電源を停止させる。基準電圧は三次巻線の電圧から得られ、短い持続時間の過負荷の状態に対する回路の感度が向上する。 Weber U.S. Pat. No. 4,335,414 describes an automatic electronic reset current cutoff for the power supply of an electrostatic precipitator air cleaner. The protection circuit protects the power supply using a ferroresonant transformer having a primary power winding, a secondary winding that provides a relatively high voltage, and a tertiary winding that provides a relatively low voltage. The protection circuit operates to suppress the operation of the power supply in the event of an overload in the ionizer or collector cell by detecting the voltage obtained from the high voltage and comparing the detected voltage with a fixed reference . When the sense voltage falls below a predetermined value, the current flow through the primary transformer is suppressed for a predetermined time. The current flow is automatically restored and the circuit periodically shuts off the power supply until the fault is cleared. The reference voltage is derived from the voltage of the tertiary winding, improving the sensitivity of the circuit to short duration overload conditions.
先行技術によって認められているように、高電圧の印加には放電の危険がある。適用例によっては、放電は望ましい。他の多くの高電圧の適用例では、スパークは回避されるかまたは防止されるべき望ましくない事象である。これは、高電圧がスパークレベルの近くで、すなわち、絶縁破壊電圧の近くで維持される適用例に特に当てはまる。たとえば、電気集塵器は可能な最も高い電圧レベルで動作するため、スパークが生成されるのは避けられない。静電集塵器は、典型的には分あたりで50〜100のスパークのスパーク率を維持する。スパークが起こると、電源の出力は、通常ゼロボルトに降下し、その間に空中放電およびスパーク前の抵抗が再確立される「イオン消失時間」と呼ばれる所定の時間の経過後に動作を再開する。各スパーク事象は、高電圧装置の全体的な効率を低下させ、電極の劣化および経年変化の主な原因の1つである。スパークの発生は、多くの環境および関連する適用例、たとえば、家庭用の静電空気加速器、フィルタおよび電気器具などでは受入れられない不快な音も生じる。 As recognized by the prior art, there is a risk of discharge when a high voltage is applied. In some applications, discharging is desirable. In many other high voltage applications, sparking is an undesirable event that should be avoided or prevented. This is especially true for applications where the high voltage is maintained near the spark level, i.e., near the breakdown voltage. For example, since an electrostatic precipitator operates at the highest voltage level possible, it is inevitable that a spark is generated. Electrostatic precipitators typically maintain a spark rate of 50-100 sparks per minute. When a spark occurs, the output of the power supply typically drops to zero volts during which time the air discharge and pre-spark resistance re-establish and resume operation after a predetermined period of time called the “ion loss time”. Each spark event reduces the overall efficiency of the high voltage device and is one of the main causes of electrode degradation and aging. The occurrence of sparks also creates unpleasant sounds that are unacceptable in many environments and related applications, such as home electrostatic air accelerators, filters and appliances.
スパークによって生じる望まれない騒音に加え、先行技術には他の非効率性もある。たとえば、コロナ放電電極およびアトラクタ電極の対は、不均一な電界を生成するように構成および配置されるべきであり、少なくとも1つの電極、すなわち、コロナ放電電極は、電極の近傍に好適な電界の勾配を提供するように比較的小さいか、および/または鋭い点または縁を含むことが多い。電極間に電圧を印加してイオンの生成のために必要な電界を効率的に生成するために使用される既知の構成がいくつかある。リーの米国特許第4,789,801号、および第6,152,146号、ならびにテイラーらの第6,176,977号は、電極の対にわたってパルス電圧波形を印加することについて記載しており、波形は10%から100%の間の動作周期を有する。これら特許は、そのような電圧の生成は、定常状態のDC電力の印加と比較して、結果的なコロナ放電装置によるオゾンの生成を減少させると記載している。オゾンの生成を低減するためのそのような電圧生成の実際の利点にかかわらず、空気の流れの生成は100%未満の動作周期を使用することにより実質的に減少し、結果生じる脈動性の空気の流れは不快とされる。 In addition to unwanted noise caused by sparks, there are other inefficiencies in the prior art. For example, the corona discharge electrode and attractor electrode pair should be configured and arranged to produce a non-uniform electric field, and at least one electrode, ie, the corona discharge electrode, has a suitable electric field in the vicinity of the electrode. Often it is relatively small and / or contains sharp points or edges to provide a gradient. There are several known configurations that are used to apply a voltage between the electrodes to efficiently generate the electric field required for ion generation. Lee U.S. Pat. Nos. 4,789,801 and 6,152,146, and Taylor et al. 6,176,977 describe applying a pulsed voltage waveform across a pair of electrodes. The waveform has an operating period between 10% and 100%. These patents describe that the generation of such a voltage reduces the production of ozone by the resulting corona discharge device as compared to the application of steady state DC power. Despite the actual benefits of such voltage generation to reduce ozone generation, air flow generation is substantially reduced by using an operating cycle of less than 100% and the resulting pulsatile air The flow is uncomfortable.
シャーマンらの米国特許第6,200,539号は、約20kHzの周波数で交流電圧を生成するための高周波数高電圧電源の使用について記載している。そのような高周波数高電圧の生成は、大きく比較的高価な電源を必要とし、典型的にはエネルギの損失が大きい。ワインバーグの米国特許第5,814,135号は、非常に狭い(すなわち、急勾配で短い持続時間の)電圧パルスを生成する高電圧電源について記載している。そのような電圧の生成は、比較的低体積かつ低速度の空気の流れのみを生成することができ、大きな空気の流れの加速または運動のためには好適ではない。 US Pat. No. 6,200,539 to Sherman et al. Describes the use of a high frequency high voltage power source to generate an alternating voltage at a frequency of about 20 kHz. Generation of such high frequency high voltage requires a large and relatively expensive power source and typically has a large energy loss. U.S. Pat. No. 5,814,135 to Weinberg describes a high voltage power supply that produces very narrow (ie, steep, short duration) voltage pulses. Such voltage generation can only generate a relatively low volume and low velocity air flow and is not suitable for acceleration or motion of a large air flow.
リーの米国特許第4,789,801号、ワインバーグの第5,667,564号、テイラーらの第6,176,977号、およびサカキバラらの第4,643,745号も、静電界を使用して空気を加速する空気運動装置について記載している。これら装置で実現される空気の速度は非常に低速であり、商業用または工業用の用途には実用的ではない。 Lee, U.S. Pat. No. 4,789,801, Weinberg, 5,667,564, Taylor et al., 6,176,977, and Sakakibara et al., 4,643,745 also provide electrostatic fields. It describes an air motion device that is used to accelerate air. The air velocities achieved with these devices are very slow and impractical for commercial or industrial applications.
エドワードの米国特許第3,699,387号および第3,751,715号は、空気の流れを向上するために連続して配置された静電空気加速器(EFA)の複数の段の使用について記載している。これら装置は、吸引(attracting)(集電)(collecting)電極として導電性のメッシュを使用し、このメッシュは近隣のコロナ電極を分離する。メッシュは大きな空気抵抗を示し、空気の流れを損ない、EFAは望ましいより大きな流量を実現することができない。 Edward U.S. Pat. Nos. 3,699,387 and 3,751,715 describe the use of multiple stages of electrostatic air accelerators (EFAs) arranged in series to enhance air flow. is doing. These devices use a conductive mesh as an attracting (collecting) electrode, which separates neighboring corona electrodes. The mesh exhibits a large air resistance, impairs the air flow, and EFA cannot achieve the desired higher flow rate.
残念ながら、これら装置のどれも商業的に実現可能な量の空気の流れを生成することはできない。従来の空気運動装置の複数の段を設けることは、それ自身では解決策を提供しない。たとえば、連続して配置された静電流体加速器の5つの直列の段は、1つの段のみよりも17%大きい空気の流れをもたらすのみである。たとえば、スパージオンの米国特許第4,231,766号を参照されたい。同様に、電極の互いに対する相対的な場所を変えても、EFAの性能および流体の速度の改善は限られている。たとえば、米国特許第4,812,711号は、わずか0.5m/sの空気の速度の生成を報告しており、商業的な扇風機および送風機に期待されかつそこから利用可能なものをはるかに下回る。 Unfortunately, none of these devices can produce a commercially viable amount of air flow. Providing multiple stages of conventional pneumatic equipment does not provide a solution on its own. For example, five serial stages of a series of electrostatic fluid accelerators arranged in series will only result in an air flow that is 17% greater than only one stage. See, for example, U.S. Pat. No. 4,231,766 to Spargeon. Similarly, changing the location of the electrodes relative to each other has limited improvements in EFA performance and fluid velocity. For example, U.S. Pat. No. 4,812,711 reports the generation of an air velocity of only 0.5 m / s, much of what is expected and available from commercial fans and blowers. Below.
したがって、商業的に有用な流量を生成しつつ、スパークなどの望ましくない寄生的な影響を最小化することのできる実用的な静電流体加速器が必要とされている。 Therefore, there is a need for a practical electrostatic fluid accelerator that can produce commercially useful flow rates while minimizing undesirable parasitic effects such as sparks.
発明の概要
この発明は、効率を向上し、大きな出力を提供し、スパークおよびオゾンの生成の低減などの寄生的な影響を低減または排除するためのイオン発生装置およびプロセスに向けられた特徴を含む。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention includes features directed to ion generators and processes to improve efficiency, provide greater power, and reduce or eliminate parasitic effects such as reduced spark and ozone production. .
スパーク開始電圧レベルは電極の同じセットでも一定の値を有さないことがわかっている。スパークは突然の事象であり、確実に予測することはできない。電気的なスパークの発生は予測不可能な事象であることが多く、複数の原因によって引起され、それらの大半ではないとしても多くは一時的な状態である。スパークの開始は、湿度、温度、汚染およびその他のような流体(すなわち、絶縁体)の状態とともに変動する傾向がある。電極の同じセットでは、スパーク電圧は10%以上の開始の幅の変動を有し得る。 It has been found that the spark start voltage level does not have a constant value for the same set of electrodes. Sparks are sudden events and cannot be reliably predicted. The occurrence of electrical sparks is often an unpredictable event, is caused by multiple causes, and many, if not most, are temporary. Spark initiation tends to vary with fluid (ie, insulator) conditions such as humidity, temperature, contamination, and others. For the same set of electrodes, the spark voltage may have a starting width variation of 10% or more.
当該技術分野で知られる高電圧の適用例および装置は、典型的にはスパークが生成されて初めてスパークに対処する。すべてのスパークが回避されるべきであれば、動作電圧は比較的低いレベルに維持しなくてはならない。必然的に低減される電圧レベルは、静電流
体加速器および集塵器などの関連する装置の空気の流量および装置の性能を低下させる。
High voltage applications and devices known in the art typically address a spark only after the spark is generated. If all sparks are to be avoided, the operating voltage must be maintained at a relatively low level. The inevitably reduced voltage level reduces the air flow rate and device performance of related devices such as electrostatic fluid accelerators and dust collectors.
上述のように、以前の技術および装置は、スパークの開始後に初めてスパーク事象に対処し、スパークが生じるのを防止するための商業的に実用的な技術的な解決策はなかった。(単に存在するアークを消すのではなく)スパークを回避しつつ、スパークを生成しそうな範囲内に電圧レベルを維持するための動的な機構を提供することは、より効率的な動作に繋がり、スパークに伴う電気的なアーク音を回避する。 As mentioned above, previous techniques and devices have not dealt with a spark event for the first time after the start of a spark and there is no commercially practical technical solution to prevent the occurrence of a spark. Providing a dynamic mechanism to maintain the voltage level within a range that is likely to generate a spark while avoiding a spark (rather than simply extinguishing an existing arc) leads to a more efficient operation, Avoid the electric arc noise associated with sparks.
この発明の1つの特徴は、これに限らないがコロナ放電システムなどの装置のための高電圧の生成を可能にする。この発明は、完全な絶縁破壊およびスパーク放電より或る時間前にスパークの開始を検出する能力を提供する。この発明の特徴である、「無慣性の」高電圧電源を用いることによって、スパークに関連する放電を管理することができる。このようにして、スパーク開始レベルに実質的により近い高電圧レベルを用いつつ、スパークの発生を防止することが実用的になる。 One feature of the present invention enables high voltage generation for devices such as, but not limited to, corona discharge systems. The present invention provides the ability to detect the onset of spark some time before complete breakdown and spark discharge. By using the “non-inertial” high voltage power supply that is a feature of the present invention, the discharge associated with the spark can be managed. In this way, it becomes practical to prevent the occurrence of sparks while using a high voltage level substantially closer to the spark start level.
この発明の特徴および局面は、絶対的なスパークの抑制が必要とされないか、または望ましくないこともあり得るようなスパーク管理にも向けられる。 The features and aspects of the present invention are also directed to spark management where absolute spark suppression may not be required or may be undesirable.
この発明の一局面によると、スパーク管理装置は、高電圧電源、および負荷装置に提供される電流のパラメータを監視するように構成された検出器を含む。パラメータに応答して、スパーク前の状態が識別される。切換回路はスパーク前の状態の識別に応答して、負荷装置に提供される電流を制御する。 According to one aspect of the invention, a spark management device includes a high voltage power source and a detector configured to monitor a parameter of current provided to a load device. In response to the parameter, a pre-spark condition is identified. The switching circuit controls the current provided to the load device in response to identifying the pre-spark condition.
この発明の特徴によると、高電圧電源は、一次電源を高電圧の電源に変換して電流を供給するように構成された高電圧電源を含み得る。 According to a feature of the present invention, the high voltage power supply may include a high voltage power supply configured to convert the primary power supply to a high voltage power supply to provide current.
この発明の別の特徴によると、高電圧電源は、昇圧変圧器、および出力が昇圧電圧器の一次巻線に接続されている交流(ac)パルス発生器を含む高電圧の電源を含み得る。整流回路は、昇圧変圧器の二次巻線に接続されて高電圧レベルで電流を提供する。 According to another feature of the invention, the high voltage power supply may include a high voltage power supply including a step-up transformer and an alternating current (ac) pulse generator whose output is connected to the primary winding of the boost voltage generator. The rectifier circuit is connected to the secondary winding of the step-up transformer and provides current at a high voltage level.
この発明の別の特徴によると、高電圧電源は、低慣性の出力回路を有する高電圧電源を含み得る。 According to another feature of the invention, the high voltage power supply may include a high voltage power supply having a low inertia output circuit.
この発明のさらに別の特徴によると、高電圧電源は、電流の流れを監視するように動作可能な制御回路を含み得る。スパーク前の状態の検出に応答して、電流の電圧はスパークの発生に貢献しないレベルに下げられる(たとえば、スパークレベルより下)。 According to yet another aspect of the invention, the high voltage power supply may include a control circuit operable to monitor current flow. In response to detecting the pre-spark condition, the voltage of the current is lowered to a level that does not contribute to the occurrence of the spark (eg, below the spark level).
この発明のさらに別の特徴によると、負荷回路は、スパーク前の状態の識別に応答して、電流の実質的な部分を選択的に受取るために高電圧電源に接続されてもよい。負荷回路は、たとえば、電気エネルギを消散するための電気装置(たとえば、電気エネルギを熱エネルギに変換する抵抗器)、または電気エネルギを蓄えるための電気装置(たとえば、キャパシタまたはインダクタ)であり得る。負荷装置は、電流を受取ってコロナ放電を作るように構成された複数の電極を含むコロナ放電装置の異なる段などの何らかの動作装置を含んでもよい。コロナ放電装置は、静電空気加速装置、静電空気清浄器および/または静電集塵器の形であってもよい。 According to yet another aspect of the invention, the load circuit may be connected to a high voltage power supply to selectively receive a substantial portion of the current in response to identifying the pre-spark condition. The load circuit can be, for example, an electrical device for dissipating electrical energy (eg, a resistor that converts electrical energy to thermal energy), or an electrical device for storing electrical energy (eg, a capacitor or an inductor). The load device may include any operating device such as a different stage of a corona discharge device that includes a plurality of electrodes configured to receive current and create a corona discharge. The corona discharge device may be in the form of an electrostatic air accelerator, an electrostatic air cleaner and / or an electrostatic precipitator.
この発明の別の特徴によると、切換回路は、電源によって供給される一次負荷装置に加え、選択的に補助装置に電力を与えるための回路を含んでもよい。初期のスパークが検出されると、一次装置に定期的に供給される電力の少なくとも一部分は、スパーク前の状態の識別に応答して補助装置に向けられ、一次装置の電圧を低下させ、スパークを回避する
。一次負荷および装置の1つまたは両方は、コロナ放電構成によって作られた静電力の影響下で流体を加速するように構成された空気処理装置であってもよい。
According to another feature of the invention, the switching circuit may include a circuit for selectively powering the auxiliary device in addition to the primary load device supplied by the power source. When an initial spark is detected, at least a portion of the power supplied periodically to the primary device is directed to the auxiliary device in response to the identification of the pre-spark condition, reducing the primary device voltage and reducing the spark. To avoid. One or both of the primary load and the device may be an air treatment device configured to accelerate the fluid under the influence of the electrostatic force created by the corona discharge configuration.
この発明の別の特徴によると、検出器は、スパーク前の状態に関連する電流レベルまたは波形の変化、電圧レベルまたは波形の変化、もしくは磁気的、電気的または光学的な事象を含む現象に感度があってもよい。 According to another aspect of the invention, the detector is sensitive to phenomena including current level or waveform changes, voltage level or waveform changes, or magnetic, electrical or optical events associated with pre-spark conditions. There may be.
この発明の別の局面によると、スパーク管理の方法は、装置に高電圧電流を供給するステップと、高電圧電流を監視して装置のスパーク前の状態を検出するステップとを含む。高電圧電流は、スパーク前の状態に応答して制御され、スパーク前の状態に関連するスパーク事象の発生を制御する。 According to another aspect of the invention, a method of spark management includes providing a high voltage current to the device and monitoring the high voltage current to detect a pre-spark condition of the device. The high voltage current is controlled in response to the pre-spark condition and controls the occurrence of a spark event associated with the pre-spark condition.
この発明の別の特徴によると、監視するステップは、高電圧電流で電流スパイクを検知するステップを含み得る。 According to another feature of the invention, the monitoring step can include detecting a current spike at a high voltage current.
この発明の特徴によると、高電圧電流を供給するステップは、電源を一次電圧レベルから一次電圧レベルより高い二次電圧レベルに変圧するステップを含み得る。二次電圧レベルの電力を整流して、高電圧電流を装置に供給してもよい。これは、出力電圧または装置の電圧、たとえば、コロナ放電空気加速器のコロナ放電電極の電圧レベルを低減するステップを含んでもよい。電圧はスパークの発生に貢献しないレベルに低減してもよい。制御は、高電圧電流の少なくとも一部分を補助負荷装置を経由させることによっても実現することができる。経由させるステップは、高電圧電流を供給する高電圧電源の出力回路に抵抗器を切換えることによって行なうことができる。 According to a feature of the invention, providing the high voltage current may include transforming the power supply from a primary voltage level to a secondary voltage level that is higher than the primary voltage level. Secondary voltage level power may be rectified to provide high voltage current to the device. This may include reducing the output voltage or device voltage, for example the voltage level of the corona discharge electrode of the corona discharge air accelerator. The voltage may be reduced to a level that does not contribute to the occurrence of sparks. Control can also be achieved by passing at least a portion of the high voltage current through the auxiliary load device. The step of passing can be performed by switching a resistor to an output circuit of a high voltage power source that supplies a high voltage current.
この発明の別の特徴によると、付加的なステップは、流体をコロナ放電電極に導入するステップと、高電圧電流でコロナ放電電極に通電するステップと、流体にコロナ放電を生成するステップと、コロナ放電の影響下で流体を加速するステップとを含む。 According to another feature of the invention, the additional steps include introducing a fluid into the corona discharge electrode, energizing the corona discharge electrode with a high voltage current, generating a corona discharge in the fluid, Accelerating the fluid under the influence of an electrical discharge.
この発明の別の局面によると、静電流体加速器は、コロナ放電電極およびコレクタ電極のアレイ、ならびに電気的にアレイに接続されて高電圧電流をコロナ放電電極に供給する高電圧電源を含んでもよい。検出器は、高電圧電流の電流レベルを監視して、応答してスパーク前の状況を識別するように構成してもよい。切換回路は、スパーク前の状態の識別に応答して高電圧電流を制御してもよい。 According to another aspect of the invention, the electrostatic fluid accelerator may include an array of corona discharge electrodes and collector electrodes, and a high voltage power source that is electrically connected to the array to supply high voltage current to the corona discharge electrodes. . The detector may be configured to monitor the current level of the high voltage current and respond to identify pre-spark conditions. The switching circuit may control the high voltage current in response to identifying the pre-spark condition.
この発明の特徴によると、切換回路は、スパーク前の状態に応答して高電圧電源によるコロナ放電電極への高電圧電流の供給を抑制するように構成してもよい。 According to a feature of the present invention, the switching circuit may be configured to suppress the supply of high voltage current to the corona discharge electrode by the high voltage power supply in response to the state before sparking.
この発明の別の特徴によると、切換回路は、スパーク前の状況の識別に応答して高電圧電流の少なくとも一部分を受取るように構成されたダンプ抵抗器を含んでもよい。 According to another feature of the invention, the switching circuit may include a dump resistor configured to receive at least a portion of the high voltage current in response to identifying the pre-spark condition.
コロナ放電スパークには、差し迫ったスパーク事象の発生を伝える或る観測可能な電気的な事象が先行し、それを監視して絶縁破壊が生成しそうなときを予測できることがわかっている。スパークの指標は、電流の増加、またはコロナ放電の近傍での磁界の変化または変動(たとえば、増加)、もしくは回路内または電極の環境での観測可能な状態であり得る。特に、スパーク事象には典型的にはコロナ電流の増加が先行することが実験的に明らかになっている。この電流の増加は、スパーク事象の短い時間(すなわち、0.1から1.0ミリ秒)前に起こる。電流の増加は、関連する電気的な放電の約0.1〜1.0ミリ秒(msec)前に見られる短い持続時間の電流スパイクの形であり得る。この増加は実質的には電圧の変化には非依存である。スパーク事象を防止するために、初期の電流スパイクを検出して、およびコロナ放電電極に印加されるおよび/またはコロナ放電電極の
電圧レベルをスパークレベルを下回るように急速に低下させる必要がある。
It has been found that corona discharge sparks are preceded by some observable electrical event that signals the occurrence of an impending spark event and can be monitored to predict when a breakdown is likely to occur. The spark indication can be an increase in current, or a change or variation (eg, increase) in the magnetic field in the vicinity of the corona discharge, or an observable condition in the circuit or electrode environment. In particular, it has been shown experimentally that a spark event is typically preceded by an increase in corona current. This increase in current occurs shortly before the spark event (ie, 0.1 to 1.0 milliseconds). The increase in current may be in the form of a short duration current spike seen about 0.1 to 1.0 milliseconds (msec) prior to the associated electrical discharge. This increase is essentially independent of voltage changes. In order to prevent spark events, an initial current spike needs to be detected and / or rapidly applied to the corona discharge electrode and / or the voltage level of the corona discharge electrode is lowered below the spark level.
そのようなスパーク管理を可能にするためには2つの条件を満たさなければならない。第1に、高電圧電源は、スパーク事象が発生する前に、すなわち、事象の検出からスパーク事象の開始までの時間内に出力電圧を急速に低下させることができなければならない。第2に、コロナ放電装置は、スパークの前に、蓄えられた電気エネルギを放電すること、すなわち、放電することができなければならない。 Two conditions must be met to enable such spark management. First, the high voltage power supply must be able to rapidly reduce the output voltage before a spark event occurs, that is, within the time from the detection of the event to the start of the spark event. Secondly, the corona discharge device must be able to discharge, i.e. discharge, the stored electrical energy prior to sparking.
コロナ電流の増加とスパークとの間の時間は0.1〜1.0msecのオーダーである。したがって、コロナ放電装置(電源および電力を供給されているコロナ放電電極のアレイを含む)に蓄えられた電気エネルギは、蓄えられたエネルギを短い時間、すなわち、ミリ秒以下の範囲の短い時間で消散させることができなければならない。さらに、高電圧の電源は、電圧の生成を好ましくはミリ秒以下またはマイクロ秒の範囲で中断するために、「低慣性の」特性(すなわち、その出力での電圧レベルを急速変化させることができる)および回路を有さなくてはならない。そのような急速な電圧の減少は、蓄えられたエネルギが少ない100kHzから1MHzの範囲で動作する高周波切換高電圧電源、および出力電圧を急速に低下または停止するための回路を使用して実際に可能である。そのような能力を提供するため、電源は、コロナ電流のスパイクの検出と結果的なスパーク事象との間の時間よりも小さい「シャットダウン」期間(すなわち、高電力出力を中止するために必要な時間)で高い切換周波数で動作しなければならない。最新技術の電源は1MHzまでの切換周波数で動作することができ、特に適切に設計された(たとえば、無慣性の)電源は、必要なミリ秒以下の範囲で電力の生成を中断することができる。つまり、電源を停止し、出力電圧を安全なレベル、すなわち、スパークの形の放電の開始を十分に下回るレベルに大きく低下させることができる。 The time between the corona current increase and the spark is on the order of 0.1 to 1.0 msec. Thus, the electrical energy stored in a corona discharge device (including an array of corona discharge electrodes that are powered and powered) dissipates the stored energy in a short period of time, ie, in the short range of milliseconds or less. Must be able to let In addition, a high voltage power supply can rapidly change the voltage level at its output (ie, its output) to interrupt voltage generation, preferably in the sub-millisecond or microsecond range. ) And circuit. Such rapid voltage reduction is actually possible using low frequency stored high frequency switched high voltage power supply operating in the 100 kHz to 1 MHz range, and circuitry for rapidly reducing or shutting down the output voltage. It is. In order to provide such capability, the power supply has a “shutdown” period that is less than the time between the detection of the corona current spike and the resulting spark event (ie, the time required to discontinue the high power output. ) Must operate at a high switching frequency. State-of-the-art power supplies can operate at switching frequencies up to 1 MHz, and particularly well-designed (eg, non-inertial) power supplies can interrupt power generation in the sub-millisecond range required. . That is, the power supply can be stopped and the output voltage can be greatly reduced to a safe level, i.e., a level well below the start of a spark-shaped discharge.
電気的なスパークに先行する電気的な事象を検出するためにさまざまな技術がある。電流センサは、ピーク、または平均、もしくはRMS、またはその他の出力電流の大きさまたは値、ならびに電流の変化率、すなわち、dI/dtを測定するために使用することができる。またはこれに代えて、電圧センサを使用して、電圧供給の電圧レベルまたはAC成分の電圧レベルを検出してもよい。差し迫ったスパーク事象を識別するために監視可能な別のパラメータは、出力電圧の降下、または出力電圧のAC成分の電圧の時間に対する第1の導関数(すなわち、dV/dt)である。スパークの形の放電に先行する電界または磁界の強度もしくはコロナ放電での他の変化を検出することも可能である。これら技術の共通の特徴は、コロナ電流のスパイクの増加には出力電圧の増加または実質的な電力のサージ(surge)が伴わないことである。 There are various techniques for detecting electrical events that precede electrical sparks. The current sensor can be used to measure peak or average, or RMS, or other output current magnitude or value, as well as the rate of change of current, ie, dI / dt. Alternatively, a voltage sensor may be used to detect the voltage level of the voltage supply or the voltage level of the AC component. Another parameter that can be monitored to identify an impending spark event is the output voltage drop, or the first derivative with respect to time of the voltage of the AC component of the output voltage (ie, dV / dt). It is also possible to detect the strength of the electric or magnetic field preceding the discharge in the form of a spark or other changes in the corona discharge. A common feature of these techniques is that increased corona current spikes are not accompanied by increased output voltage or substantial power surge.
異なる技術を用いて、電源によって生成される出力電圧を急速に低下させてもよい。好ましい方法は、電力トランジスタ、またはSCR、もしくは昇圧変圧器の一次に供給されるパルス高周波ac電力を作る電源の他の切換構成要素を停止して、電力生成プロセスを中断することである。この場合、切換構成要素は動作しないようにされ、負荷には電力は生成または供給されない。この方法の欠点は、電源の構成要素、特にキャパシタおよびインダクタなどの出力フィルタリング段に蓄積された残留エネルギ(浮遊容量および漏れインダクタンスを含む)をどこかに解放しなければならない点、すなわち、適切なエネルギのシンク(sink)、典型的には「グラウンド」に放電しなければならない点である。何らかの急速な放電機構がないと、電源によって蓄えられた残留エネルギが負荷に解放され、出力電圧が低下する速度を低速化する(すなわち「低下させる」)。またはこれに代えて、好ましい構成および方法は、磁気的な構成要素(変圧器および/または複数の巻線のインダクタ)の一次巻線(すなわち、巻線の端子を相互接続する)を電気的に「ショート」させて、磁界を崩壊させることにより蓄えられたエネルギを消散させ、エネルギが負荷に伝達されないようにするものである。別の、より根本的な方法は、電源の出力を比較的低
い値の抵抗にショートさせる。この抵抗は、しかしながら、スパーク抵抗よりもずっと高くなければならず、同時に、スパーク事象の直前に現われるような電源を供給されているコロナ放電装置の動作抵抗よりも低くなくてはならない。たとえば、高電圧のコロナ装置(たとえば、静電流体加速器)がスパークの検出の直前には1mAの電流を消費し、電源からの出力電流が、スパーク事象中(または他のショート回路状態)に電流制限装置(たとえば、一連の電流制限抵抗)により1Aに制限される場合、負荷に(すなわち、コロナ放電装置のコロナ放電電極およびアトラクタ電極の間に)印加される「ダンピング」抵抗は、1mAより大きいが(すなわち、抵抗を低くして、通常動作の負荷電流よりも多くの電流を伝えなければならない)、1Aよりも小さく生じなければならない(すなわち、最大のショート電流によって制限される電流よりも小さい)。この付加的なダンピング抵抗は、高電圧のリードタイプのリレーまたは他の高電圧高スピードのリレーもしくは切換構成要素(たとえば、SCR、トランジスタ等)により電源の出力に接続されてもよい。無慣性の高電圧電源の共通のかつ重要な特徴は、初期のスパーク事象に先行しかつそれを示す電気的な事象から、何らかの介入がない場合にスパークが実際に起こったであろう時間までの時間よりも短い時間で、すなわち、典型的にはミリ秒以下またはマイクロ秒の範囲で電力の生成を中断することができる点である。
Different techniques may be used to rapidly reduce the output voltage generated by the power supply. The preferred method is to interrupt the power generation process by stopping the power transistor or other switching components of the SCR, or the power supply that produces the pulsed high frequency ac power supplied to the primary of the step-up transformer. In this case, the switching component is disabled and no power is generated or supplied to the load. The disadvantage of this method is that the residual energy (including stray capacitance and leakage inductance) stored in the power supply components, especially the output filtering stages such as capacitors and inductors, must be released somewhere An energy sink, typically one that must be discharged to “ground”. Without any rapid discharge mechanism, the residual energy stored by the power source is released to the load, slowing (ie, “decreasing”) the rate at which the output voltage decreases. Alternatively, the preferred arrangement and method is to electrically connect the primary winding (ie interconnect the terminals of the winding) of the magnetic component (transformer and / or inductor of multiple windings). By “shorting”, the stored energy is dissipated by collapsing the magnetic field so that energy is not transferred to the load. Another, more fundamental method is to short the output of the power supply to a relatively low value resistor. This resistance, however, must be much higher than the spark resistance, and at the same time must be lower than the operating resistance of the corona discharge device being powered as it appears just before the spark event. For example, a high voltage corona device (eg, an electrostatic fluid accelerator) consumes 1 mA immediately before the detection of a spark, and the output current from the power source is current during the spark event (or other short circuit condition). When limited to 1 A by a limiting device (eg, a series of current limiting resistors), the “damping” resistance applied to the load (ie, between the corona discharge and attractor electrodes of the corona discharge device) is greater than 1 mA. Must occur less than 1A (ie, less than the current limited by the maximum short-circuit current) (ie, the resistance must be low and carry more current than normal operating load current) ). This additional damping resistor may be connected to the output of the power supply by a high voltage lead type relay or other high voltage high speed relay or switching component (eg, SCR, transistor, etc.). A common and important feature of non-inertial high-voltage power supplies is the electrical event that precedes and indicates the initial spark event, up to the time that the spark would actually occur without any intervention. The generation of power can be interrupted in a time shorter than the time, i.e. typically in the millisecond or microsecond range.
そのような無慣性の電源の別の重要な特徴は、電源の構成要素に蓄積されかつ蓄えられた残留エネルギが、負荷、たとえば、コロナ放電装置での放電プロセスを実質的に減速させるべきでないか、またはさもなければ妨げるべきでないという点である。たとえば、コロナ放電装置がそれ自身の電気エネルギを50マイクロ秒で放電し、スパーク事象までの最小の予想時間が100マイクロ秒である場合、電源は放電時間に50マイクロ秒より多く付加してはならず、実際の放電時間は100マイクロ秒を超えない。したがって、高電圧電源は、電力トランジスタなどのアクティブな構成要素がオフにされた後にコロナ放電装置にそれらのエネルギを放電し得るキャパシタまたはインダクタのようなエネルギ蓄積構成要素を使用するべきではない。この能力および機能性を提供するため、高電圧変圧器は、比較的小さな漏れインダクタンスを有し、かつ出力フィルタ容量性が小さいかまたは出力フィルタ容量性を有さないべきである。電圧乗算器およびフライバックインダクタを含む従来の高電圧電源のトポロジーは、そのようなスパーク管理または防止に一般的には好適ではない。 Another important feature of such non-inertial power supplies is whether the residual energy stored and stored in the components of the power supply should substantially slow down the discharge process at the load, eg, the corona discharge device. Or otherwise should not be disturbed. For example, if a corona discharge device discharges its own electrical energy in 50 microseconds and the minimum expected time to spark event is 100 microseconds, the power supply should not add more than 50 microseconds to the discharge time. The actual discharge time does not exceed 100 microseconds. Thus, high voltage power supplies should not use energy storage components such as capacitors or inductors that can discharge their energy to the corona discharge device after active components such as power transistors are turned off. To provide this capability and functionality, the high voltage transformer should have a relatively small leakage inductance and have low or no output filter capacitance. Conventional high voltage power supply topologies including voltage multipliers and flyback inductors are generally not suitable for such spark management or prevention.
この発明は、イオン発生プロセスが単に電圧を2つの電極に印加するよりも複雑であるという事実を認めるかまたは理解するために先行技術の欠点に対処する。先行技術のシステムおよび方法は、一般的には、大きな空気の流れを生成すると同時にオゾンの生成を制限することができない。 The present invention addresses the shortcomings of the prior art to acknowledge or understand the fact that the ion generation process is more complex than simply applying a voltage to the two electrodes. Prior art systems and methods are generally unable to limit ozone production while producing a large air flow.
コロナ関連のプロセスは3つの共通の局面を有する。第1の局面は、流体の媒体内でのイオンの発生である。第2の局面は、放出されたイオンによる流体の分子および異物の粒子の帯電である。第3の局面は、対向する(コレクタ)電極に向けての(すなわち、電界線に沿った)帯電した粒子の加速である。 Corona-related processes have three common aspects. The first aspect is the generation of ions in a fluid medium. The second aspect is the charging of fluid molecules and foreign particles by the released ions. The third aspect is the acceleration of charged particles towards the opposing (collector) electrode (ie along the electric field lines).
イオンによって引起される空気または他の流体の加速は、イオンの量(すなわち、数)および流体の粒子の近くで電荷を誘発して流体の粒子を対向する電極に向かって推進するそれらの能力に応じて異なる。同時に、オゾンの発生は、電極に印加された電力に実質的に比例する。イオンが流体に導入されると、それらは粒子および中性に帯電した流体の分子に付着する傾向がある。各粒子は、特定の粒子のサイズに応じて限られた量の電荷のみを受取ることができる。以下の式によると、電荷の最大量(いわゆる飽和電荷)は次のように表わすことができる。 The acceleration of air or other fluids caused by ions is dependent on the amount (ie number) of ions and their ability to induce charge near the fluid particles and propel the fluid particles toward the opposite electrode. Depending on. At the same time, ozone generation is substantially proportional to the power applied to the electrodes. As ions are introduced into the fluid, they tend to adhere to particles and molecules of the neutrally charged fluid. Each particle can receive only a limited amount of charge depending on the size of the particular particle. According to the following formula, the maximum amount of charge (so-called saturation charge) can be expressed as follows.
この式から、或る数のイオンが流体に導入されると近くの分子および周囲の粒子を最大レベルに帯電させることがわかる。このイオンの数は1つの電極から別の電極に流れる電荷の数を示し、2つの電極間を流れるコロナ電流を決定する。 From this equation, it can be seen that when a certain number of ions are introduced into the fluid, nearby molecules and surrounding particles are charged to a maximum level. The number of ions indicates the number of charges flowing from one electrode to another, and determines the corona current flowing between the two electrodes.
一旦帯電されると、流体の分子は電界の向きで対向するコレクタ電極に引付けられる。力Fが作用するこの方向付けられた空間は、電界の強度Eに依存する電荷Qを有する粒子を動かし、これは電極に印加される電圧に比例する。 Once charged, fluid molecules are attracted to opposing collector electrodes in the direction of the electric field. This directed space in which the force F acts moves particles with a charge Q that depends on the strength E of the electric field, which is proportional to the voltage applied to the electrodes.
F=−Q*E
コロナ電流により最大数のイオンが流体に導入されかつ結果的な電荷が印加された電圧のみにより加速される場合、実質的な空気の流れが生成され、平均的な電流消費は実質的に低減される。これは、電極間の電圧が実質的に一定であるときに、コロナ電流が何らかの最低の値から最大の値へと値がどのように変化するかを制御することによって実現可能である。言い換えると、(印加される平均的な高電圧に比例して)電極に印加される電力電圧の高電圧リップル(または、交流成分)を最小化しつつ、電流のリップルを実質的に高く保ち、理想的には電流の全平均またはRMSの振幅に匹敵するように保つことが有利であることがわかっている。(別段の記載がないかまたは用法により暗示されない場合、ここで使用されるように、「リップル」という言葉および「交流成分」という語句は、正弦波、正方形、鋸歯状、不規則、複合等の時間的に変動するすべての信号波形を含む信号の時間的に変動する成分を指し、さらに「交流」または「ac」としても知られる双方向性の波形およびパルス直流電流または「パルスdc」などの一方向性の波形の両方を含む。さらに、文脈によって別に示されない限り、これらに限らないが「リップル」、「ac成分」、「交流成分」等を含む言葉とともに使用される「小さい」、「大きい」等の形容詞は、信号の電位(または「電圧」)および信号の流量(または「電流」)などの特定のパラメータの相対的または絶対的な振幅を示す。電圧波形と電流波形とのそのような区別は、コロナ電極およびアトラクタ電極のコロナ発生アレイのリアクタンス性(容量性)の成分によってコロナ関連の技術および装置で可能である。容量性成分は比較的低い振幅の電圧交流成分を生じ、比較的大きい対応する電流の交流成分を生成する。たとえば、小さいリップルで高電圧を生成する電源をコロナ装置で使用することが可能である。これらリップルは比較的高周波数「f」でなければならない(すなわち、1kHzよりも大きい)。以下のように、電極(すなわち、コロナ電極およびコレクタ電極)は、高周波数の電圧が印加されるときに比較的小さなインピーダンスXcを示すようにそれらの互いの容量Cが十分に大きくなるよう設計される。
F = -Q * E
When the maximum number of ions are introduced into the fluid by the corona current and the resulting charge is accelerated only by the applied voltage, a substantial air flow is generated and the average current consumption is substantially reduced. The This can be achieved by controlling how the value of the corona current changes from some minimum value to a maximum value when the voltage between the electrodes is substantially constant. In other words, keeping the current ripple substantially high while minimizing the high voltage ripple (or AC component) of the power voltage applied to the electrode (in proportion to the average high voltage applied), ideal In particular, it has been found advantageous to keep the current average or RMS amplitude comparable. (Unless otherwise stated or implied by usage, as used herein, the terms “ripple” and “alternating current component” refer to sinusoidal, square, sawtooth, irregular, composite, etc. Refers to the time-varying component of a signal, including all signal waveforms that vary in time, as well as bi-directional waveforms and also known as "alternating current" or "ac" and pulsed direct current or "pulse dc" Including both unidirectional waveforms, and unless otherwise indicated by context, "small", "small", "word" used with words including but not limited to "ripple", "ac component", "alternating current component", etc. An adjective such as “large” indicates the relative or absolute amplitude of a particular parameter, such as signal potential (or “voltage”) and signal flow rate (or “current”). Such a distinction from the current waveform is possible in corona-related techniques and devices by the reactive component of the corona generating array of corona and attractor electrodes, which is a relatively low amplitude voltage. For example, a power supply that produces a high voltage with a small ripple can be used in a corona device, which produces a relatively large alternating current component with a relatively large current. (Ie, greater than 1 kHz) As follows, the electrodes (ie, corona and collector electrodes) will exhibit a relatively small impedance X c when a high frequency voltage is applied. The mutual capacitance C is designed to be sufficiently large.
比例し、かつ電圧の交流成分の周波数に反比例する。リップル電圧の振幅およびその周波数に応じて、電極間の電流のac成分の振幅は電流のdc成分よりも少ないかまたは大きくなり得る。
小さな振幅のリップルで高電圧(すなわち、フィルタリングされたdc電圧)を生成することができるが、電極にわたって比較的大きなac成分(すなわち、大きな振幅の電流のリップル)で電流を提供する電源により、イオンの発生および流体の加速が向上され、空気の場合には、オゾンの生成が大きく低減されるかまたは最小化される。したがって、コロナ電流のdc成分の振幅によって除したコロナ電流のac成分の振幅として規定される比率または分数として表現される電流のリップル(すなわち、Iac/Idc)は、10,100よりはるかに大きく(すなわち、少なくとも2倍)、好ましくは少なくとも10,100であり、より好ましくは、電圧のリップルの1000倍の大きさで、後者は、同様に、dc成分の振幅によって除したコロナ放電電極に印加される電圧の時間的に変動する成分またはac成分の振幅として規定される(すなわち、Vac/Vdc)。 A power supply that can generate high voltage (ie, filtered dc voltage) with small amplitude ripple, but provides current with a relatively large ac component (ie, large amplitude current ripple) across the electrodes. Generation and fluid acceleration are improved, and in the case of air, ozone production is greatly reduced or minimized. Thus, the current ripple expressed as the ratio or fraction defined as the amplitude of the ac component of the corona current divided by the amplitude of the dc component of the corona current (ie, I ac / I dc ) is much greater than 10,100. Large (ie, at least twice), preferably at least 10,100, more preferably 1000 times the voltage ripple, and the latter also applies to the corona discharge electrode divided by the amplitude of the dc component. It is defined as the time-varying component of the applied voltage or the amplitude of the ac component (ie, V ac / V dc ).
さらに、最適なコロナ放電装置の性能は、平均的な電圧の振幅に対して出力電圧が小さな振幅の電圧交流成分を有するときに実現され、電極および介在する絶縁体を通る流れ(すなわち、加速される流体)は、電圧の交流成分(dc電圧に対する)より少なくとも2倍、より好ましくは10倍大きく(dc電流成分に対して)、すなわち、電流のac/dcの比率は、2倍、10倍だけ大きく、または印加される電圧のac/dcの比率よりも大きい。つまり、結果的な電流が以下の関係を満たすようにコロナ放電電極に電圧を生成することが好ましい。 In addition, optimal corona discharge device performance is achieved when the output voltage has a small voltage AC component relative to the average voltage amplitude, and flows through the electrodes and intervening insulators (i.e., accelerated). Fluid) is at least twice as large as the AC component of the voltage (relative to the dc voltage), more preferably 10 times greater (relative to the dc current component), that is, the ratio of ac / dc of the current is twice or 10 times Larger than the ratio of ac / dc of the applied voltage. That is, it is preferable to generate a voltage at the corona discharge electrode so that the resulting current satisfies the following relationship.
これら要件を満たすため、電源およびコロナ発生装置は適切に設計および構成されなければならない。特に、電源は、最低限のみの、かつ同時に比較的高周波数のリップルで高電圧の出力を生成しなければならない。コロナ発生装置自身は、電極を通る、すなわち、1つの電極から別の電極への実質的に高周波数の電流の流れを提供する所定の値の設計された浮遊または寄生キャパシタンスを有するべきである。電源が低周波数のリップルを生成する場合、Xcは比較的大きくなり、交流成分電流の振幅は、電流の直流成分の振幅には匹敵しない。電源が非常に小さいリップルを生成するかまたはリップルを生成しない場合、交流電流は直流電流には匹敵しない。コロナ発生装置(すなわち、電極のアレイ)が低いキャパシタンス(寄生および/または電極の間の浮遊キャパシタンスを含む)を有する場合、交流電流はこの場合も直流電流には振幅で匹敵しない。大きな抵抗が電源と電極
のアレイとの間に設けられると(たとえば、リーの米国特許第4,789,801号の図1および図2を参照)、ac電流のリップルの振幅は減衰され(すなわち、減少し)、振幅では電流のdc(すなわち、一定)成分のそれに匹敵しない。したがって、所定の電圧および電流の関係が存在するように或る条件が満たされる場合のみ、コロナ発生装置は最適に機能して、十分な空気の流れを提供し、動作効率が向上され、望ましいオゾンのレベルが得られる。結果的な電源は、費用もかからない。
To meet these requirements, the power supply and corona generator must be properly designed and configured. In particular, the power supply must produce a high voltage output with minimal and at the same time relatively high frequency ripple. The corona generating device itself should have a predetermined value of designed stray or parasitic capacitance that provides a substantially high frequency current flow through the electrodes, ie from one electrode to another. If the power supply produces low frequency ripple, Xc is relatively large and the amplitude of the AC component current is not comparable to the amplitude of the DC component of the current. If the power supply produces very little ripple or no ripple, the alternating current is not comparable to the direct current. If the corona generating device (i.e. the array of electrodes) has a low capacitance (including parasitic and / or stray capacitance between the electrodes), the alternating current is again not comparable in amplitude to the direct current. When a large resistance is provided between the power supply and the array of electrodes (see, for example, FIGS. 1 and 2 of Lee US Pat. No. 4,789,801), the amplitude of the ac current ripple is attenuated (ie, The amplitude is not comparable to that of the dc (ie constant) component of the current. Thus, only when certain conditions are met such that a predetermined voltage and current relationship exists, the corona generator functions optimally to provide sufficient air flow, improve operating efficiency, and improve the desired ozone Level is obtained. The resulting power supply is not expensive.
特に、リップルを発生する電源は、さもなければ電源の出力に接続された比較的高価でかつ物理的に大きな高電圧のキャパシタによって提供される出力のフィルタリングを必要としない。これだけでも電源は費用がかからなくなる。さらに、そのような電源はより少ない「慣性」を有し、すなわち、蓄えられるエネルギが少なく、出力の振幅の変動を減衰させる傾向があり、したがって、リップルのないまたは無視可能なリップルの高慣性の電源よりも急速に出力電圧を変化させることができる。 In particular, ripple generating power supplies do not require output filtering provided by relatively expensive and physically large high voltage capacitors that would otherwise be connected to the output of the power supply. This alone makes the power supply less expensive. In addition, such power supplies have less "inertia", i.e. less energy is stored and tend to attenuate fluctuations in the output amplitude, and thus have a high inertia with no ripple or negligible ripple. The output voltage can be changed more rapidly than the power supply.
この発明は、先行技術の空気の流れについての限界および一般的な能力のなさにおけるいくつかの欠点に対処して理論的に最適の性能を実現する。これら欠点の1つは、複数段のEFA装置に対する過度のサイズの要件を含む。連続して配置されるEFAのいくつかの段はエアダクトに沿って(すなわち、空気の流れの方向に沿って)かなりの長さを必要とするためである。この長いダクトは空気の流れに対してより大きな抵抗を与える。 The present invention addresses the limitations of the prior art air flow and some shortcomings in general lack of capacity to achieve theoretically optimal performance. One of these disadvantages includes excessive size requirements for multi-stage EFA devices. This is because several stages of EFA arranged in series require a considerable length along the air duct (ie along the direction of air flow). This long duct provides greater resistance to air flow.
段が互いに近くに配置されるときにさらに他の問題が生じる。段の間の間隔を低減すると、1つの段のアトラクタ電極と隣接する次の段のコロナ放電電極との間に「バックコロナ」が生成されることがあり、逆の空気の流れが生じる。さらに、近隣の段の間の電気的なキャパシタンスにより、近隣の段の間に寄生電流の流れがある。この電流は、近隣の段の間の非同期の高電圧のリップル、または高電圧のパルスによって引起こされる。 Yet another problem arises when the stages are placed close to each other. Reducing the spacing between the stages can create a “back corona” between one stage attractor electrode and the next adjacent corona discharge electrode, resulting in a reverse air flow. Further, due to the electrical capacitance between neighboring stages, there is a parasitic current flow between neighboring stages. This current is caused by asynchronous high voltage ripples or high voltage pulses between neighboring stages.
大きいかまたは複数の段を使用して、各別々の(またはグループの)段にそれ自身の高電圧電源(HVPS)が設けられるようにすると別の問題が生じる。この場合、コロナ放電を作るために必要な高電圧が、許容不可能なレベルのスパークを電極間に発生させ得る。スパークが発生すると、HVPSは、動作を再開する前にイオン消失およびスパークの消失のために必要な或る時間だけ完全に停止しなければならない。電極の数が増加すると、スパークは電極の1つのセットの場合よりも頻繁に発生する。1つのHVPSがいくつかの電極のセット(すなわち、いくつかの段)に供給する場合、発生するより多くのスパークを消すためにより頻繁に停止する必要がある。このことはシステム全体に対して電力の中断の望ましくない増加に繋がる。この問題に対処するため、各段にはそれ専用のHVPSから供給すると有利である。しかしながら、別々のHVPSを使用すると、近隣の段の電極間の浮遊キャパシタンスによって引起こされる望ましくない電気的な相互作用を回避するためおよびバックコロナの生成を避けるため、連続する段の間隔をより大きくする必要がある。 Another problem arises if large or multiple stages are used so that each separate (or group) stage is provided with its own high voltage power supply (HVPS). In this case, the high voltage required to create a corona discharge can generate an unacceptable level of spark between the electrodes. When a spark occurs, the HVPS must be completely stopped for a certain amount of time required for ion loss and spark loss before resuming operation. As the number of electrodes increases, sparks occur more frequently than with one set of electrodes. If one HVPS feeds several sets of electrodes (ie several stages), it needs to be stopped more frequently to extinguish more sparks that occur. This leads to an undesirable increase in power interruption for the entire system. To deal with this problem, it is advantageous to supply each stage with its own HVPS. However, using separate HVPS increases the spacing between successive stages in order to avoid unwanted electrical interactions caused by stray capacitance between neighboring stage electrodes and to avoid back corona generation. There is a need to.
この発明は、EFAの段の間隔をより近づけることにより空気の流れを増加させつつ望ましくない影響の導入を最小化するかまたは回避するための新規の解決策を提示する。この発明は、電極の幾何学的形状、互いの場所および電極に印加される電圧の組合せを実現して性能を向上する。 The present invention presents a novel solution for minimizing or avoiding the introduction of undesirable effects while increasing air flow by closer EFA stage spacing. The present invention realizes a combination of electrode geometry, mutual location and voltage applied to the electrodes to improve performance.
この発明の特徴によると、複数のコロナ電極および集電電極は、互いに平行に位置付けられるか、または空気の流れの方向に垂直なそれぞれの平面の間に延在するように位置付けられる。近隣の段のすべての電極は互いに平行であり、近隣の段の電極はすべて互いに平行であり、同じ種類の電極(すなわち、コロナ放電電極または集電電極)はすべて、同じ種類の電極または電極の縁がある平面に直交する同じ平行な平面に配置される。別の特
徴によると、近隣の段の電極間のコロナ放電を回避するかまたは最小化するために段の間隔が狭められる。隣接する電極間の最も近い間隔が「a」である場合、第1の電極に印加される電圧V1と最も近い第2の電極に印加される電圧V2との間の電位差(V1−V2)と電極間の距離との比率は、規格化された距離「aN」であり、aN=(V1−V2)/aである。1つの段のコロナ放電ワイヤから近隣の段の最も近い部分への正規化された距離は、これら電極間に印加されるコロナ開始電圧を超えなければならず、これは実際には、逆コロナの生成を防止するために、それがコロナ放電から対応する関連の(すなわち、最も近い)吸引電極への正規化された距離の1.2倍から2.0倍以上でなければならないことを意味する。
According to a feature of the invention, the plurality of corona electrodes and current collecting electrodes are positioned parallel to each other or positioned to extend between respective planes perpendicular to the direction of air flow. All the electrodes in the neighboring stage are parallel to each other, all the electrodes in the neighboring stage are parallel to each other, and all the same type of electrodes (ie corona discharge electrode or collector electrode) The edges are placed in the same parallel plane perpendicular to the plane. According to another feature, the spacing between the stages is reduced to avoid or minimize corona discharge between neighboring stage electrodes. When the closest distance between adjacent electrodes is “a”, the potential difference (V1−V2) between the voltage V1 applied to the first electrode and the voltage V2 applied to the nearest second electrode is The ratio to the distance between the electrodes is a standardized distance “aN”, and aN = (V1−V2) / a. The normalized distance from the corona discharge wire of one stage to the nearest part of the neighboring stage must exceed the corona onset voltage applied between these electrodes, which is actually the reverse corona To prevent generation, it means that it must be 1.2 to 2.0 times the normalized distance from the corona discharge to the corresponding relevant (ie closest) suction electrode .
最後に、近隣の段に印加される電圧は同期されかつ同位相にされるべきである。つまり、近隣の段の電極に印加される電圧のac成分は、同時に上下し、かつ実質的に同じ波形および大きさおよび/または振幅を有するべきである。 Finally, the voltages applied to neighboring stages should be synchronized and in phase. That is, the ac component of the voltage applied to neighboring stage electrodes should rise and fall simultaneously and have substantially the same waveform and magnitude and / or amplitude.
この発明は、(典型的には単位長さあたりの段で測定された)EFAの電極の密度を増加させ、電極間の浮遊電流を排除または大きく減少させる。同時に、この発明は、近隣の段の電極間のコロナ放電(たとえば、バックコロナ)を排除する。これは、部分的には、近隣のEFAの段に実質的に同じ電圧の波形で電力を供給することによって実現され、すなわち、近隣の電極の電位は、段の間の作動電圧を排除または低減するために同じかまたは非常に類似の交流成分を有する。段の間でそのように同期して動作することで、隣接するEFAの構成要素の近隣の電極間の電位差は一定になり、1つの電極から別の電極への結果的な浮遊電流は最小化されるかまたは完全に回避される。同期は異なる手段によっても実現可能であるが、対応する電源からの同期されかつ同位相にされたそれぞれの電圧で、またはそれぞれの印加された電圧の類似の振幅のac成分を提供するように同期された電源で近隣のEFA構成要素に電力を供給することによるのが最も容易である。これは、近隣のEFA構成要素に接続された同じ電源で、または印加された電圧の同期かつ同位相にされたac成分を生成する異なる好ましく適合された電源で実現することができる。 This invention increases the density of the electrodes of the EFA (typically measured in steps per unit length) and eliminates or greatly reduces stray current between the electrodes. At the same time, the present invention eliminates corona discharge (eg, back corona) between adjacent stage electrodes. This is achieved in part by powering neighboring EFA stages with substantially the same voltage waveform, ie, the potential of neighboring electrodes eliminates or reduces the operating voltage between the stages. To have the same or very similar alternating components. By operating in synchronism between stages, the potential difference between neighboring electrodes of adjacent EFA components is constant and the resulting stray current from one electrode to another is minimized. Or completely avoided. Synchronization can also be achieved by different means, but synchronized to provide an ac component of similar amplitude with each voltage synchronized and in phase from the corresponding power source, or with each applied voltage. It is easiest to supply power to neighboring EFA components with a connected power supply. This can be accomplished with the same power supply connected to neighboring EFA components, or with different preferably adapted power supplies that produce an ac component that is synchronized and in phase with the applied voltage.
この発明は、先行技術の空気の流れの限界および一般的な能力のなさにおける他の欠点にも対処して理論的に最適の性能を実現する。これら欠点の別のものは、商用に好適な大きな流体の流れを生成する能力が限られていることを含む。さらに別の欠点は、高い強度の電界の発生を避けるために(コロナ電極以外に)大きな電極の構造を必要とする点である。物理的な大きな電極を使用すると、流体の流れの抵抗が増加し、EFAの能力および効率が制限される。 The present invention addresses theoretically optimal performance by addressing other shortcomings of the prior art air flow limitations and general inability. Another of these drawbacks includes the limited ability to produce large fluid flows that are commercially suitable. Yet another disadvantage is that large electrode structures (other than corona electrodes) are required to avoid the generation of high intensity electric fields. The use of physically large electrodes increases fluid flow resistance and limits the capacity and efficiency of the EFA.
EFAが最大の能力でまたはその近くで、すなわち、最大の電圧が印加され電力が消費されて動作するときにさらに別の問題が生じる。この場合、印加される動作電圧は、典型的には誘電破壊電圧の近くに維持されるため、スパークおよび/またはアークなどの望ましくない電気的な事象を生じ得る。さらに別の欠点は、意図されない接触が電極の1つに行なわれたときに生じることがあり、大きな電流の流れが人を通る可能性があり、これは不快でありかつ危険でもある。 Yet another problem arises when the EFA operates at or near its maximum capacity, ie when the maximum voltage is applied and power is consumed. In this case, the applied operating voltage is typically maintained near the dielectric breakdown voltage, which can result in undesirable electrical events such as sparks and / or arcs. Yet another drawback can occur when an unintended contact is made to one of the electrodes, and a large current flow can pass through a person, which is both uncomfortable and dangerous.
典型的にコロナ電極として用いられる細いワイヤを使用すると、さらに別の問題が生じる。そのようなワイヤは、比較的細くなくてはならず(通常は、直径が約0.004'')、脆く、したがって手入れまたは取扱いが難しい。 The use of thin wires typically used as corona electrodes creates additional problems. Such wires must be relatively thin (usually about 0.004 ″ in diameter) and are brittle and therefore difficult to care for or handle.
より強力な流体の流れが必要であるかまたは望ましいときに(たとえば、より大きな流量)、別の問題が生じる。従来の複数段の配置は、それぞれの電界への互いの干渉を避けるためにコロナ電極は互いから最小の距離になければならないため、比較的低い電極の密度に繋がる(したがって、不十分な最大到達可能な電力に繋がる)。間隔の要件によって
体積が増加し、かつ電極の密度が制限される。
Another problem arises when a stronger fluid flow is needed or desirable (eg, a higher flow rate). A conventional multi-stage arrangement leads to a relatively low electrode density (and therefore insufficient maximum reach) because the corona electrodes must be at a minimum distance from each other to avoid mutual interference with the respective electric fields. Leads to possible power). Spacing requirements increase volume and limit electrode density.
この発明の特徴は、加速電極の構成および製造で抵抗の高い材料を使用することにより新規の電極の幾何学的形状および最適化された互いの電極の場所(すなわち、電極間の幾何学的形状)を使用して流体の流れを増加するための新規の解決策を提供する。 A feature of the present invention is that the use of highly resistive materials in the construction and manufacture of the accelerating electrodes allows for new electrode geometries and optimized mutual electrode locations (ie, inter-electrode geometries). ) To provide a novel solution for increasing fluid flow.
この発明の特徴によると、複数のコロナ電極および加速電極は互いに平行に位置付けられ、電極の一部は空気の流れの方向に垂直なそれぞれの平面間に延在する。コロナ電極は、金属または導電性セラミックなどの導電性の材料で作られる。コロナ電極は、細いワイヤ、刃または帯の形であってもよい。コロナ放電はコロナ電極の狭い面積で起こり、これら狭い面積はここでは「イオン化縁」と称される。これら縁は、一般的には所望の流体の流れの方向に関してコロナ電極の下流側にある。他の電極(たとえば、加速電極)は、流体の流れの主な方向に延在するバーまたは細い帯の形である。一般的に、コロナ電極の数は、加速電極の数に1を加えたものに等しい。つまり、各コロナ電極は1つまたは2つの隣接する加速電極に対向しかつ平行に位置付けられる。 According to a feature of the invention, the plurality of corona electrodes and the accelerating electrode are positioned parallel to each other, and a part of the electrodes extends between respective planes perpendicular to the direction of air flow. The corona electrode is made of a conductive material such as metal or conductive ceramic. The corona electrode may be in the form of a fine wire, blade or band. Corona discharge occurs in a small area of the corona electrode, which is referred to herein as an “ionization edge”. These edges are generally downstream of the corona electrode with respect to the desired fluid flow direction. Other electrodes (eg, accelerating electrodes) are in the form of bars or thin strips that extend in the main direction of fluid flow. In general, the number of corona electrodes is equal to the number of acceleration electrodes plus one. That is, each corona electrode is positioned opposite and parallel to one or two adjacent acceleration electrodes.
加速電極は高抵抗の経路を提供する高抵抗の材料で作られ、すなわち、電極にわたって大きな電圧の低下を生じることなくコロナ電流を容易に伝える高抵抗率の材料で作られる。たとえば、加速電極は、炭素入りプラスチック、ケイ素、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、セレン化カドミウムなどの比較的高抵抗の材料で作られる。これら材料は、典型的には、103から109'Ω−cmの範囲の、より好ましくは、105から108'Ω−cmの間、より好ましくは106から107'Ω−cmの範囲の固有の抵抗率ρを有する。)
同時に、電極の幾何学的形状は、スパークまたはアークなどの局所的な事象または外乱が、大きな電流の増加または音を発生することなく終了されるように選択される。
The accelerating electrode is made of a high resistance material that provides a high resistance path, i.e. made of a high resistivity material that easily conducts the corona current without causing a large voltage drop across the electrode. For example, the acceleration electrode is made of a relatively high resistance material such as carbon-filled plastic, silicon, gallium arsenide, indium phosphide, boron nitride, silicon carbide, cadmium selenide. These materials typically have a specific resistance in the range of 103 to 109 'Ω-cm, more preferably between 105 and 108' Ω-cm, more preferably in the range of 106 to 107 'Ω-cm. Has the rate ρ. )
At the same time, the electrode geometry is selected such that local events or disturbances such as sparks or arcs are terminated without generating large current increases or sounds.
この発明は、(典型的には体積当たりの「電極の長さ」で測定された)EFAの電極の密度を増加させ、電極の物理的な厚みに関連するような電極によって引起こされる空気力学的な流体の抵抗を大きく減少させる。この発明の付加的な利点は、電極に印加される動作電圧が電気的な絶縁破壊の限界にどれだけ近づいても、それにかかわらず実質的にスパークのない動作を提供するという点である。この発明のさらに別の利点は、電極をより丈夫でかつ信頼性のおけるものにする頑強なコロナ電極の形状を提供する点である。電極の設計によって、「故障のない」EFAを作ることができ、たとえば、意図せずに接触された場合に安全性を脅かす危険を生じないものを作ることができる。 The present invention increases the density of electrodes in EFA (typically measured by “electrode length” per volume) and aerodynamics caused by the electrode as related to the physical thickness of the electrode. Greatly reduces the resistance of typical fluids. An additional advantage of the present invention is that it provides substantially spark-free operation regardless of how close the operating voltage applied to the electrode approaches the limit of electrical breakdown. Yet another advantage of the present invention is that it provides a robust corona electrode shape that makes the electrode more robust and reliable. The design of the electrode can create a “fault-free” EFA, for example, one that does not pose a safety risk if contacted unintentionally.
この発明のさらに別の利点は、コロナ放電を提供するために固体材料以外を使用した電極の使用である。たとえば、コロナ放電の放出、より大きな電気処理能力の支援のために導電性の流体を効率的に用いて、流体の速度を増加させることができる。さらに、流体は、コロナ放電のシース(sheath)の近傍で電気化学的なプロセスを変えることができ、たとえば、(空気の場合)、固体のコロナ材料によって生成されるよりもオゾンの生成が少なくなり、または通過する流体の化学的な変質をもたらす(瞬間的な有害な気体の破壊)。 Yet another advantage of the present invention is the use of an electrode that uses something other than a solid material to provide a corona discharge. For example, a conductive fluid can be efficiently used to support corona discharge emission, greater electrical processing capability, and increase fluid velocity. In addition, the fluid can alter the electrochemical process in the vicinity of the corona discharge sheath, for example (in the case of air), producing less ozone than produced by solid corona material. Or cause chemical alteration of the passing fluid (instantaneous harmful gas destruction).
好ましい実施例の説明
図1は、静電流体加速器などの高電圧装置でスパーク事象の発生を防止するように構成された高電圧電源(HVPS)100の概略的な回路図である。HVPS100は、一次巻線107および二次巻線108を備えた高電圧昇圧変圧器106を含む。一次巻線107はハーフブリッジインバータ(電力トランジスタ104、113およびキャパシタ10
5、114)を介してDC電圧源101により提供されるac電圧に接続される。ゲート信号コントローラ111は、トランジスタ104、113のゲートで制御パルスを生成し、その周波数は、RCタイミング回路を形成する抵抗器110およびキャパシタ116の値によって決定される。二次巻線108は、全波ブリッジ整流回路として構成された4つの高電圧(HV)高周波ダイオードを含む電圧整流器109に接続される。HVPS100は、HV装置または電極(たとえば、コロナ放電装置)に接続される端子120とグラウンドとの間で高電圧を生成する。HV装置に印加される電圧、たとえば、コロナ放電電極のアレイにわたって印加される電圧のAC成分は、高電圧キャパシタ119によって検知され、検知された電圧は、ツェナーダイオード122によって制限される。出力電圧がスパークに先行する特徴的な電圧の変動を示すと、変動の特徴的なAC成分は抵抗器121にわたる比較的大きな信号レベルに繋がり、トランジスタ115をオンする。トランジスタ115は、信号コントローラ111のピン3を接地し、電力トランジスタ104および113のゲートにわたる電圧を中断する。トランジスタ104および113が非導電性にされると、一次巻線107にわたってほぼ瞬間的に電圧が中断され、強く結合された二次巻線108に伝えられる。同様の急速な電圧の降下がスパーク開始レベルを下回ってコロナ放電装置に生じるため、切迫したアークまたは絶縁破壊が回避される。
DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a high voltage power supply (HVPS) 100 configured to prevent the occurrence of a spark event in a high voltage device such as an electrostatic fluid accelerator. The
5, 114) to the ac voltage provided by the
スパーク防止技術は2つのステップまたは段階を含む。第1に、コロナ放電装置の浮遊キャパシタンスに蓄えられたエネルギはコロナ電流を通じて放電されコロナ開始電圧へと下げられる。この電圧は常にスパーク開始電圧を十分に下回る。この放電が約0.1mssec(すなわち、100mksec未満)より短い時間で起こる場合、電圧の降下は効率的にスパーク事象の発生を防止する。より高いスパーク開始電圧レベルからコロナ開始レベルへの電圧の降下は、約50mksecで実現されることが好ましいことが実験的にわかっている。 Anti-spark technology involves two steps or stages. First, the energy stored in the stray capacitance of the corona discharge device is discharged through the corona current and lowered to the corona start voltage. This voltage is always well below the spark start voltage. If this discharge occurs in less than about 0.1 mssec (ie, less than 100 mksec), the voltage drop effectively prevents the occurrence of a spark event. It has been experimentally found that the voltage drop from the higher spark start voltage level to the corona start level is preferably realized at about 50 mksec.
電源電圧がコロナ開始レベルに達し、かつコロナ電流が停止した後、放電プロセスはより低速になり、電圧は数ミリ秒の間でゼロに降下する。電源100は、抵抗器121およびトランジスタ115のゲート−ソースの自己キャパシタンスによって規定された同じ所定の時間後に電圧の生成を再開する。所定の時間は、通常は数ミリ秒のオーダーであり、イオン消失プロセスおよび通常の動作の回復に十分であることがわかっている。一次電力を変圧器106に再び印加することに応答して、コロナ放電装置に提供される電圧は、ほぼコロナ開始レベルから通常の動作レベルへと数マイクロ秒で上昇する。そのような配置を用いると、さもなければ同じコロナ放電配置および構成に頻繁なスパークを生じさせる値を出力電圧が超えたときでもスパーク事象は起こらない。電源100は、利用可能な電気的な構成要素を使用して構築することができ、特別な構成要素は必要とされない。
After the power supply voltage reaches the corona start level and the corona current stops, the discharge process becomes slower and the voltage drops to zero in a few
図2は、リード接点222および付加的な負荷223を備えた代替の電源200の概略的な回路図である。電源200は、一次巻線210および二次巻線211を備えた高電圧の2つの巻線のインダクタ209を含む。一次巻線210は、電力トランジスタ208を介してグラウンドに接続され、かつ端子201に設けられたdc電源に接続される。PWMコントローラ205(たとえば、UC3843電流モードPWMコントローラ)は、トランジスタ208のゲートで制御パルスを生成し、その動作周波数は、抵抗器202およびキャパシタ204を含むRC回路によって決定される。典型的な周波数は100kHz以上である。二次巻線211は、HVキャパシタ215および218、ならびに高周波数HVダイオード216および217を含む倍電圧回路に接続される。電源200は、HV装置または電極(すなわち、負荷)に接続される出力端子219および220の間で10kVから25kVの間のHVdc電力を生成し、典型的には18kVを生成する。制御トランジスタ203は、分路抵抗212を通る電流が予め設定されたレベルを超えたときにオンし、電流がリード接点222を含むリードタイプのリレーの制御コイル221を通って流れるようにする。電流がコイル221を通って流れるとき、リード接点222は閉じ
、HV出力をHVダンピング抵抗223へと向け、出力に負荷をかけて、抵抗器207およびキャパシタ206によって決定された時間で出力電圧のレベルを低下させる。さまざまなEFA構成要素および/または装置と組合せてこのスパーク管理回路を使用すると、通常動作中のすべてのスパークを実質的に排除することができる。リードリレー203/222は、台湾のGe-Ding Information Inc.のZP−3であってもよい。
FIG. 2 is a schematic circuit diagram of an
図3は、図2に示されるものと類似の別のHVPS配置の概略的な回路図である。しかしながら、この場合、HVPS300は、リード接点322、およびHVPSの出力端子に直接的に接続された付加的な負荷323を含む。HVPS300は、一次巻線310および二次巻線311を備えた高電圧変圧器309を含む。一次巻線310は、電力トランジスタ308を介してグラウンドに接続され、かつ電力入力端子301に接続されたDC源に接続される。PWMコントローラ305(たとえば、UC3843)は、トランジスタ308のゲートで制御パルスを生成する。これら制御パルスの動作周波数は、抵抗器302およびキャパシタ304によって決定される。二次巻線311は、HVキャパシタ315および318、ならびに高周波数HVダイオード316および317を含む倍電圧回路に接続される。HVPS300は、HV装置または電極(負荷)に接続される出力端子319および320でほぼ18kVの高電圧出力を生成する。スパーク制御トランジスタ303は、分路抵抗器312を通る電流が予め設定された所定のレベルを超えたときにオンし、電流が制御コイル321を通って流れるようにする。電流がコイル321を通って流れるとき、リード接点322は閉じて、HVPSのHV出力をHVダンピング抵抗器323に向け、これにより、抵抗器307およびキャパシタ306によって決定された時間だけ出力電圧のレベルを低減する。この初期のスパーク検出および緩和の配置を使用すると、長い動作時間にわたって実質的にスパークが生成されない。
FIG. 3 is a schematic circuit diagram of another HVPS arrangement similar to that shown in FIG. However, in this case, the
図4は、図2に示されるものと類似の電源の構成を示し、HVPS400は、通常開いている接点422およびコイル421含むリレー、ならびに電力ダンピング負荷423をさらに含む。HVPS400は、一次巻線410および二次巻線411を備えた電力変圧器409を含む。一次巻線410は電力トランジスタ408を介してグラウンドに接続され、かつ端子401でdc電源に接続される。PWMコントローラ405(たとえば、UC3843)は、トランジスタ408のゲートで制御パルスの列を生成する。これらパルスの動作周波数は、抵抗器402およびキャパシタ404によって設定される。二次巻線411は、HVキャパシタ415および418、ならびに高周波数HVダイオード416および417を含む倍電圧回路に高電圧(たとえば、9kV)を供給するように接続される。電源400は、HV装置またはコロナ電極(負荷)に接続される端子419および420で高電圧出力を生成する。制御トランジスタ403は、分路抵抗器412を通る電流が差し迫ったスパーク事象に特徴的となるように予め設定された所定のレベルを超えたときに、電流がコイル421を通って流れるようにする。コイル421を通って電流が流れると、リレーの接点422は閉じ、ダンピング抵抗器423を介して一次巻線410をショートさせる。ダンピング抵抗器423によって設けられた付加的な負荷は、抵抗器407およびキャパシタ406によって決定された時間で出力電圧レベルを急速に低下させる。
FIG. 4 shows a power supply configuration similar to that shown in FIG. 2,
図5は、コロナ電流501および出力電圧502での電源出力の2つのトレースを含むオシロスコープのディスプレイである。示されるように、コロナ電流は、約0.1から1.0msecの時間内の初期のスパークを示す特徴的な細いスパイク503を有し、ここでは電流スパイクの約2.2msec後に示される。コロナ放電装置または類似のHV装置での電流スパイク503の検出は、制御回路を作動させ、HVPSをオフし、かつ好ましくは電極の電位を絶縁破壊安全性レベルかまたはその下方に低下させるために必要な蓄えられたエネルギを減衰する。たとえば、高周波数パルス発生器(たとえば、PWMコントローラ205)の動作を抑制することによりHVPSへの一次電力を中断することに加
え、HV装置に印加される電圧をスパーク開始または絶縁破壊電位を下回るレベルに急速に低下させるために他のステップを行なってもよい。これらステップおよび支援回路は、蓄えられた電荷を、抵抗器、キャパシタ、インダクタまたはそれらの組合せなどの適切な「シンク(sink)」に「ダンピングする」ステップを含んでもよい。シンクは、HVPSの物理的な境界内にあってもよいし、および/または電力を供給されている装置、すなわち、HV装置または負荷にあってもよい。負荷にある場合、シンクは負荷内に蓄えられた電荷をより素早く受取ることができ、HVPSにあるシンクは、HVPSの出力の電圧レベルを低下させるように方向付けられ得る。シンクは、たとえば、HV抵抗器を使用して、電力を消散させて負荷に供給されるかまたは負荷の電圧レベルを低下させることができることに注意されたい。またはこれに代えて、エネルギを蓄えておいて、スパーク事象が対処された後に再び印加して、装置を通常動作に素早く戻すようにしてもよい。さらに、すべての場合に電圧をゼロの電位レベルに下げる必要はなく、スパーク事象を回避するために知られているかまたは予測されたある値まで電圧レベルを低減すれば十分であり得る。一実施例によると、HVPSは、特定のスパーク前のインジケータ(たとえば、電流のスパイクの強度、波形、持続時間等)の特性をスパーク事象の可能性を回避するかまたは予め設定されたレベルに最小化するための適切な応答と関連付けるための処理および記憶の能力を含む。たとえば、HVPSは、電流のスパイクの下での絶対的な振幅または面積
FIG. 5 is an oscilloscope display including two traces of power output at corona current 501 and
再び図5を参照すると、HVPSの出力が完全に中断され、コロナ放電装置に電流が流れない場合、コロナ放電装置の電圧は、図5に示されかつ上述のように急激に降下する。短い時間の後、HV装置に印加される電圧レベルを低減するために何の措置もとられなかった場合に実際のスパーク事象が起こったであろう瞬間を示す電流スパイク504が観測され得る。幸い、出力電圧はスパークレベルを十分に下回るため、スパークまたはアークは生成されない。その代わりに、中位の電流のスパイクのみが見られ、これは外乱または望ましくない電気的なアーク音を生成させないようにするために十分小さいものである。電流スパイク504の検出の2〜10msecのオーダーの時間の後、または電流スパイク503の1〜9msec後、HVPSはオンし、通常動作を再開する。
Referring again to FIG. 5, if the output of the HVPS is completely interrupted and no current flows through the corona discharge device, the voltage of the corona discharge device drops rapidly as shown in FIG. 5 and described above. After a short period of time, a
図6は、静電装置602、たとえば、コロナ放電流体加速器にHV電力を供給するように接続されるこの発明によるHVPS601の図である。静電装置602は、共通の接続604によりHVPS601に接続される複数のコロナ放電電極603を含んでもよい。アトラクタ電極またはコレクタ電極605は、接続606によりHVPS601の相補的なHV出力に接続される。HV電位がコロナ放電電極603に印加されると、それぞれのコロナ放電の電子の雲が電極の近傍に形成され、コロナ放電電極と反対に帯電したアトラクタ電極またはコレクタ電極605との間の絶縁体として作用する介在する流体(たとえば、空気)の分子を帯電させる。イオン化された流体の分子は、コレクタ/アトラクタ電極605の対向する電荷に向かって加速され、所望の流体の動きが生じる。しかしながら、さまざまな環境的および他の外乱のため、流体の絶縁特性が異なり得る。この変動は、コロナ放電電極およびアトラクタの電極603、605のセットの間で電気的なアークが発生し得る点まで絶縁破壊電圧を低下させるのに十分であり得る。たとえば、埃、湿気、および/または流体の密度の変化は、絶縁破壊レベルを、装置に印加されている動作電圧
を下回る点に下げることがある。スパーク前の標識事象(たとえば、電流スパイクまたはパルス等)に対して電力信号の電気的な特性を監視することにより、スパークを回避することが望ましい状況において動作電圧を低下させるなどの事象を管理するための適切なステップが実現される。
FIG. 6 is a diagram of an
上述の発明は、スパーク事象の数および/または強度を排除するかまたは低減することに向けられるが、他の実施例は、他のスパーク管理の設備、能力および機能性を提供し得る。たとえば、この発明の実施例による方法は、電圧レベルを急速に変化させることにより(たとえば、PWMコントローラの動作周期を変化させることにより)、スパーク放電をより均一化し、所望のスパーク強度および/または量を提供するため、または他の何らかの目的のためにスパーク事象を管理することができる。したがって、この発明の実施例の付加的な適用例および実現例は、所望の結果を得るためのスパーク前の検出および特定のレベルへの急速な電圧の変化を含む。 Although the above-described invention is directed to eliminating or reducing the number and / or intensity of spark events, other embodiments may provide other spark management facilities, capabilities and functionality. For example, a method according to an embodiment of the present invention provides a more uniform spark discharge by rapidly changing the voltage level (eg, by changing the operating period of the PWM controller), and the desired spark intensity and / or amount. Can be managed for sparking purposes or for some other purpose. Thus, additional applications and implementations of embodiments of the present invention include pre-spark detection and rapid voltage changes to specific levels to obtain the desired results.
この発明のこれらの特徴および他の特徴によると、3つの特徴によりスパーク事象の効率的な管理が実現される。第1に、電源は無慣性であるべきである。これは、電流供給はスパーク前の指標とスパーク事象の発生との間の時間よりも短い時間で出力電圧を急速に変化させることができなければならないことを意味する。この時間は、通常は、1ミリ秒以下である。第2に、効率的かつ急速なスパーク前の検出の方法が電源停止回路に組込まれるべきである。第3に、負荷装置、たとえば、コロナ放電装置は、スパーク前の標識と実際のスパーク事象との間の時間よりも短い時間で放電され得る低い自己静電容量を有するべきである。 According to these and other features of the present invention, three features provide efficient management of spark events. First, the power source should be non-inertial. This means that the current supply must be able to change the output voltage rapidly in a time shorter than the time between the pre-spark indicator and the occurrence of the spark event. This time is usually less than 1 millisecond. Second, an efficient and rapid pre-spark detection method should be incorporated into the power shutdown circuit. Third, load devices, such as corona discharge devices, should have a low self-capacitance that can be discharged in less time than the time between the pre-spark sign and the actual spark event.
図7Aは、この発明の実施例によるコロナ放電装置に電力を供給するのに好適な電源のブロック図である。高電圧電源(HVPS)705は、変動する振幅Vac+dcの電源電圧701(図7B)を生成する。電圧701は、Vdcの平均的なdc電圧に、距離703によって表わされる瞬間値を有する振幅Vacのacまたは交流成分(すなわち、電圧の交流成分)を重畳する。電圧701の典型的な平均のdc成分(Vdc)は、10kVから25kVの範囲にあり、より好ましくは18kVに等しい。リップルの周波数「f」は典型的には100kHz前後である。低周波の高調波、たとえば、120Hzを含む60Hzの商用電力線の周波数の倍数などが電圧の波形に存在し得ることに注意されたい。以下の計算は、最も有意な高調波、つまり最も高い高調波、この場合は100kHzのみを考える。リップルのピークからピークへの振幅703(Vacは電圧701のac成分である)は、ピークからピークで0ボルトから2000ボルトの範囲にあり得、より好ましくは、900V未満またはそれに等しく、RMSの値はほぼ640Vである。電圧701は、電極の対(すなわち、コロナ放電電極およびアトラクタ電極)に印加される。抵抗器706は、HVPS705の内部抵抗およびHVPS705を電極に接続するワイヤの抵抗を示し、この抵抗は典型的には比較的小さな値を有する。キャパシタ707は2つの電極間の寄生キャパシタンスを示す。なお、キャパシタ707の値は一定ではないが、約10pFのレベルにあると大まかには推定される。
FIG. 7A is a block diagram of a power source suitable for supplying power to a corona discharge device according to an embodiment of the present invention. A high voltage power supply (HVPS) 705 generates a power supply voltage 701 (FIG. 7B) having a varying amplitude Vac + dc.
抵抗器708は、コロナ放電電極およびアトラクタの電極の間の空隙に特徴的な非リアクタンス性のdcオーム負荷抵抗Rを示す。この抵抗Rは、印加される電圧に応じて異なり、典型的には10メガオームの値を有する。
HVPS705からのdc成分は抵抗器708を通って流れ、ac成分は、抵抗器708よりも100kHzの動作範囲で実質的に低いインピーダンスを示すキャパシタンス707を通って主に流れる。特に、キャパシタ707のインピーダンスXcはリップルの周波数の関数である。この場合、これは、
Xc=1/(2πfC)=1/(2*3.14*100,000*10*10-12)=160kΩ
にほぼ等しい。
The dc component from
X c = 1 / (2πfC) = 1 / (2 * 3.14 * 100,000 * 10 * 10 −12 ) = 160 kΩ
Is almost equal to
キャパシタンス707を通って流れる電流のac成分Ia.c.は、
Ia.c.=Va.c./Xc=640/160,000=0.004A=4mA
に等しい。
The ac component I a.c. of the current flowing through the
I a.c. = V a.c. / X c = 640 / 160,000 = 0.004A = 4 mA
be equivalent to.
抵抗器708を通って流れる電流のdc成分Idcは、
Idc=Vdc/R=18kV/10MΩ=1.8mA
に等しい。
The dc component I dc of the current flowing through
I dc = V dc / R = 18 kV / 10 MΩ = 1.8 mA
be equivalent to.
したがって、電極間の結果的な電流のac成分Iacは、結果的な電流のdc成分よりも約2.2倍大きい。 Therefore, the ac component I ac of the resulting current between the electrodes is about 2.2 times greater than the dc component of the resulting current.
装置700の動作は図7Bのタイミング図を参照して説明することもできる。イオン化電流が何らかの最大の振幅(Imax)に達すると、イオンがコロナ放電電極から放出され、周囲の分子および流体の粒子(すなわち、空気の分子)を帯電させる。このとき、最大の電力が生成され、最大のオゾンの生成(空気または酸素における)が行なわれる。電流がIminに減少すると、生成される電力は少なくなり、実質的に全くオゾンは生成されない。
The operation of
同時に、帯電した分子および粒子は最大の電流の状態と同じ力で対向する電極(アトラクタ電極)に向かって加速される(電圧は実質的に一定であるため)。したがって、流体の加速率は実質的に影響されず、オゾンの生成が低減されるのと同じ程度には影響されない。 At the same time, the charged molecules and particles are accelerated toward the opposing electrode (attractor electrode) with the same force as the state of maximum current (since the voltage is substantially constant). Thus, the fluid acceleration rate is substantially unaffected and not as much as ozone production is reduced.
周囲の流体の加速は、コロナ放電電極からアトラクタ電極へのイオンのモーメントから生じる。これは、電圧701の影響下でイオンがコロナ放電電極から放出され、コロナ放電電極の周囲に「イオンの雲」を作るからである。このイオンの雲は電界の強さに応答して対向するアトラクタ電極に向かって移動し、その強度は印加される電圧701の値に比例する。電源705によって供給される電力は、ほぼ出力電流702に比例する(電圧701が実質的に一定に維持されると仮定する場合)。したがって、脈動する性質の電流702により、同じ振幅の純粋なdc成分よりもエネルギの消費が少なくなる。電流のac成分およびdc成分の間のそのような電流の波形および関係は、低い内部抵抗706および出力電圧の小さい振幅の交流成分703を有することによって確保される。最も効率的な静電流体加速は、電流702の交流成分の相対的な振幅(すなわち、Iac/Idc)が電圧701の交流成分の相対的な振幅(すなわち、Vac/Vdc)よりも大きいときに得られることが実験的にわかっている。さらに、これら比率が離れると、付加的な改善が実現される。したがって、Vac/VdcがIac/Idcを大きく下回る(すなわち、半分を越えない)、好ましくは、Iac/Idcの1/10、1/100を越えないか、またはより好ましくは1/1000である場合、(ここで、VacおよびIacは、同じように測定され、たとえば、ともにRMS、ピークからピークまたは類似の値である)、さらに効率的な流体の加速が実現される。数学的に異なった表現をすると、コロナ電流の一定成分と印加される電圧の時間的に変動する成分との積をコロナ電流の時間的に変動する成分と印加された電圧の一定成分との積で除したものは、最小化されるべきであり、各別々のステップは当初のステップに対する大きさで大きな改善を提供する。
The acceleration of the surrounding fluid results from the moment of ions from the corona discharge electrode to the attractor electrode. This is because ions are emitted from the corona discharge electrode under the influence of the
図8Aは、上述の式を満たさないコロナ放電装置を示す。これは針の形のコロナ放電電極800を含み、その鋭い幾何学的形状は針の尖った端部の近傍でコロナ放電を生成するのに必要な電界を提供する。対向するコレクタ電極801はずっと大きく、滑らかなバーの形である。高電圧の電源802は、高電圧供給ワイヤ803および804を通じて電極
の両方に接続される。しかしながら、コレクタ電極801の中央の軸に垂直な放電電極800の相対的な配向のため、この配置は電極800および801の間に有意なキャパシタンスを生成しない。一般的に、キャパシタンスは電極間に面する有効面積に直接的に比例する。この面積は図8Aに示される装置では非常に小さいが、これは電極の1つが最小限の断面積を有する針先の形であるためである。したがって、電極800から電極801に流れる電流は有意のac成分を有さない。図8Aに示されるものに類似のコロナ放電装置の配置は非常に低い空気加速能力および比較的大きな量のオゾンの生成を示す。
FIG. 8A shows a corona discharge device that does not satisfy the above equation. This includes a needle-shaped
図8Bは代替のコロナ放電装置を示す。複数のコロナ放電電極は長く細いコロナ放電ワイヤ805の形であり、対向するコレクタ電極806はコロナワイヤ805に平行なより厚みのあるバーの形である。高電圧電源807は、それぞれの高電圧供給ワイヤ809および810によって、コロナ放電ワイヤ805およびコレクタ電極806に接続される。この配置によって電極間の面積はずっと大きくなり、したがって、その間のキャパシタンスがずっと大きくなる。コロナワイヤ805からコレクタ電極806に流れる電流は、有意のac成分を有し、高電圧電源807は十分な電流供給能力を有することができる。図8Bに示されるもののようなコロナ放電装置の配置により、実質的に高周波数の電流リップルであるが小さな電圧リップル(すなわち交流成分)で高電圧電源によって電源を供給されるときに、空気加速能力は大きくなり、比較的イオンの生成は小さくなる。
FIG. 8B shows an alternative corona discharge device. The plurality of corona discharge electrodes are in the form of long and thin
図1を再び参照すると、高電圧電源回路100は、小さな高周波数リップルを有する高電圧を生成することができるように構成してもよい。上述のように、電源100は、一次巻線107および二次巻線108を備える高電圧の二重の巻線の変圧器106を含む。一次巻線107は、ハーフブリッジインバータ(電力トランジスタ104、113およびキャパシタ105、114)を通じてdc電圧源101に接続される。ゲート信号コントローラ111は、抵抗器103および117を通じてトランジスタ104、113のゲートで制御パルスを生成する。これらパルスの動作周波数は、抵抗器110およびキャパシタ116に対して選択された値によって決定される。変圧器106の二次巻線108は、4つの高電圧高周波数の電力ダイオードを含むブリッジ電圧整流器109に接続される。電源100は、端子120とコロナ放電装置の電極に接続されるグラウンドとの間で高電圧出力を生成する。
Referring back to FIG. 1, the high voltage
図9は、生成されかつ電極のアレイを通って流れる結果的な電流902とともに、コロナ放電装置での出力電流および電圧の波形、高電圧901のオシロスコープのトレースを示す。電圧901は約15,300Vの比較的一定の振幅を有し、交流成分はほとんどまたは全くないことがわかる。一方、電流902は、電流の平均値(1.189mA)をはるかに超えた、2mAを超える比較的大きな交流電流の成分(リップル)を有する。
FIG. 9 shows an output current and voltage waveform at the corona discharge device,
上述の特徴に加え、この発明は、低慣性の電源が、電流供給に高リアクタンスの負荷を与えるコロナ放電素子のアレイと組合される実施例をさらに含む。つまり、アレイの容量負荷は、電源の出力でのリアクタンス性の成分を大きく上回る。この関係により、一定の低いリップルの電圧および高いリップルの電流が得られる。この結果はオゾンの生成が低減された効率の高い静電流体加速器にある。 In addition to the features described above, the present invention further includes an embodiment in which a low inertia power source is combined with an array of corona discharge elements that provide a high reactance load to the current supply. That is, the capacitive load of the array greatly exceeds the reactance component at the output of the power supply. This relationship results in a constant low ripple voltage and high ripple current. The result is an efficient electrostatic fluid accelerator with reduced ozone production.
図10Aは、2つのEFAの段1014および1015を含むこの発明の別の実施例による静電流体加速器(EFA)装置1000の概略図である。第1のEFAの段1014は、コロナ放電電極106および関連する加速電極1012を含み、第2のEFAの段1015は、コロナ放電電極1013および関連する加速電極1011を含む。EFAの段およびすべての電極は共に概略的に示されている。説明しやすくするため、段あたりコロナ放電および集電の電極の1つのセットのみが示されているが、各段はコロナ電極および加速の電極の多くのアレイの対を含み得ることが予想される。EFA1000の重要な特
徴は、コロナ放電電極1006とコレクタ電極1012との間の距離d1は、コレクタ電極1012と後続の段1015のコロナ放電電極1013との間の距離d2に匹敵する点、すなわち、隣接する段の素子間の最も近い距離は同じ段内の電極間の距離よりさほど大きくない点である。典型的には、コレクタ電極1012と隣接する段のコロナ放電電極1013との段の間の距離d2は、同じ段内のコロナ放電電極1006とコレクタ電極1012との間の段内の間隔の距離d1(または、コロナ放電電極1013とコレクタ電極1011との間隔)の1.2倍から2.0倍の間であるべきである。この一貫した間隔のため、電極1006と1012、および1006と1013との間のキャパシタンスは同じオーダーである。この配置では、コロナ放電電極1006と1013との間のキャパシタンス結合により、電極間に何らかの寄生電流が流れることができる。この寄生電流は電極の対1006および1012の間の容量性電流と同じオーダーの振幅である。電極1013と106との間の不必要な電流を低減するために、各々には同期された高電圧の波形が供給されるべきである。図10Aに示される実施例では、両方のEFAの段は、共通の電源1005によって、すなわち、並列に両方の段に電力を供給する1つの電圧変換回路(たとえば、電力変圧器、整流器およびフィルタリング回路等)を有する電源により電力を供給される。このことにより、電極1006と1013との間の電圧差は電極1006および1011に対して一定に保たれるため、電極1006と1013との間には全く電流が流れないか、または非常に小さい電流のみが流れる。
FIG. 10A is a schematic diagram of an electrostatic fluid accelerator (EFA)
図10Bは、それぞれ別々の電流供給1002および1003によって電力を供給されるEFAの段1016および1017の対を含むEFA1001の代替の構成である。第1のEFAの段1016は、段1016内に相補的な電極の対を形成するコロナ放電電極1007および集電電極1008を含む。第2のEFAの段1017は、相補的な電極の第2の対を形成するコロナ放電電極1009および集電電極1010を含む。EFAの段1016、1017およびすべての電極1007〜1010は共に概略的に示されている。
FIG. 10B is an alternative configuration of EFA 1001 that includes a pair of EFA stages 1016 and 1017 powered by separate
第1のEFAの段1016は電源1002によって電力を供給され、第2のEFAの段1017は電源1003によって電力を供給される。両方のEFAの段および両方の電源1002ならびに1003は、同期を簡略化するために同じ設計であってもよいが、代替の配置を収容するのに適切なように異なる設計を使用してもよい。電源1002および1003は、同期された電力出力を提供するように制御回路1004によって同期される。制御回路は、両方の電源1002および1003が実質的に等しい同期されかつ同位相にされた出力電圧を生成して、電極1007および1009の間の電位差が実質的に一定に保たれるようにする(たとえば、ac電圧成分を有さないかまたは非常に小さなac電圧成分を有するようにする)。(注意:「同期された」という言葉は、一般的には信号間の周波数および位相の両方の一致を含み、位相の調整の要件は、「同位相にされた」という言葉の使用によってさらに強調され、たとえば、各段に印加されかつ各段に存在するように、関連の場所で信号が互いに同位相であることを必要とする)。この電位差を一定に保つことによって(すなわち、ac電圧成分を最小化するかまたは排除することによって)、電極1007と1009との間の容量性電流の流れが、たとえば、典型的には1mA未満、好ましくは100μA未満の許容値に制限されるかまたは排除される。
The first EFA stage 1016 is powered by a power source 1002 and the second EFA stage 1017 is powered by a
隣接するEPAの段の電極間の寄生的な電流の低減は、図11Aおよび図11Bに示される波形を参照して理解することができる。図11Aに見られるように、電極1007(図10B)に存在する電圧V1および電極1009に存在する電圧V2は同期されかつ同位相にされるが、必ずしもdc振幅は等しくない。完全な同期のため、電極1007および1009に存在する電圧間の差V1−V2はほぼ一定であり、信号間のdcオフセット値のみを表わす(すなわち、ac成分はない)。電極1007および電極1009の間を結合する容量を通って流れる電流Icは、このキャパシタンスの電圧の変化時間速度(d
V/dt)に比例する。
The reduction of the parasitic current between adjacent EPA stage electrodes can be understood with reference to the waveforms shown in FIGS. 11A and 11B. As seen in FIG. 11A, voltage V1 present at electrode 1007 (FIG. 10B) and voltage V2 present at electrode 1009 are synchronized and in phase, but the dc amplitudes are not necessarily equal. For perfect synchronization, the difference V1-V2 between the voltages present at electrodes 1007 and 1009 is approximately constant and represents only the dc offset value between signals (ie, no ac component). The current Ic flowing through the capacitance coupling between the electrode 1007 and the electrode 1009 is the change time rate of the voltage of this capacitance (d
V / dt).
Ic=C*[d(V1−V2)/dt]
この関係から、任意のキャパシタンスの電圧が一定に保たれる場合(すなわち、ac成分を有さない)、経路には電流が流れないことが直接的にわかる。一方、小さな電圧の変化であっても、電圧の変化が素早い場合、大きな容量性電流の流れが作られ得る(すなわち、大きなd(V1−V2)/dt)。近隣のEFAの段の異なる電極から過度の電流が流れるのを防ぐため、これら近隣の段の電極に印加される電圧は同期されかつ同位相にされるべきである。たとえば、図11Bを参照すると、コロナ電圧V1およびV2はわずかに同期しておらず、差、d(V1−V2)/dtの小さなac電圧成分が生じている。この小さなac電圧成分は、隣接するEFAの段の間を流れる有意の寄生電流Icにつながる。この発明の実施例は、段の間に電流が流れるのを回避するためにすべての段に印加される電力の同期を含む。
I c = C * [d ( V1-V2) / dt]
From this relationship, it can be directly seen that when the voltage of an arbitrary capacitance is kept constant (that is, it does not have an ac component), no current flows through the path. On the other hand, even with a small voltage change, if the voltage change is fast, a large capacitive current flow can be created (ie, large d (V1-V2) / dt). In order to prevent excessive current flow from different electrodes of neighboring EFA stages, the voltages applied to these neighboring stage electrodes should be synchronized and in phase. For example, referring to FIG. 11B, the corona voltages V1 and V2 are not slightly synchronized, resulting in a small ac voltage component of the difference, d (V1-V2) / dt. This small ac voltage component leads to a significant parasitic current Ic flowing between adjacent EFA stages. Embodiments of the invention include synchronization of power applied to all stages to avoid current flow between stages.
隣接するEFAの段の電極の最も近い間隔は次のように概算することができる。典型的なEFAは狭い電圧範囲で効率的に動作することに注意されたい。同じ段のコロナ放電電極と集電電極との間に印加される電圧Vcは、適切な動作のため、いわゆるコロナ開始電圧Vonsetを超えなければならない。つまり、電圧VcがVonset未満のとき、コロナ放電は起こらず、空気の運動は生成されない。同時に、Vcはアークを回避するために絶縁破壊電圧Vbを超えてはならない。電極の幾何学的形状および他の条件に応じて、VbはVonsetの2倍より大きくてもよい。典型的な電極の構成では、Vb/Vonsetの比率は、約1.4から1.8であり、任意の特定のコロナ放電電極が、「バックコロナ」を生成し得る近隣の集電電極からの距離に位置付けられないようにされる。したがって、近隣の段の最も近い電極間の規格化された距離aNnは、同じ段のコロナ放電電極と集電電極との間の正規化された距離「aNc」より少なくとも1.2倍大きくなくてはならず、好ましくは距離「aNc」の2倍以下であることが好ましい。つまり、近隣の段の電極は、電極間の電圧差が近隣の段の任意の電極間のコロナ開始電圧未満であるように間隔をあけなくてはならない。 The closest spacing between adjacent EFA stage electrodes can be estimated as follows. Note that typical EFAs operate efficiently over a narrow voltage range. The voltage V c applied between the corona discharge electrode and the collecting electrode in the same stage must exceed the so-called corona start voltage V onset for proper operation. That is, when the voltage V c is less than V onset , no corona discharge occurs and no air movement is generated. At the same time, V c must not exceed the breakdown voltage V b to avoid arcing. Depending on the electrode geometry and other conditions, V b may be greater than twice V onset . In a typical electrode configuration, the ratio of V b / V onset is about 1.4 to 1.8, and any particular corona discharge electrode can be a neighboring current collecting electrode that can produce a “back corona” It will not be positioned at a distance from. Thus, the normalized distance aNn between the nearest electrodes of neighboring stages is not at least 1.2 times greater than the normalized distance “aNc” between the corona discharge electrode and the collecting electrode of the same stage. Preferably, it is preferably not more than twice the distance “aNc”. That is, the neighboring stage electrodes must be spaced so that the voltage difference between the electrodes is less than the corona onset voltage between any of the neighboring stage electrodes.
上述の条件が満たされない場合、必然的な結果として、近隣の段はそうでない場合よりも互いにより大きく間隔をあけられなければならない。段の間の間隔がそのように増加されると、いくつかの条件が空気の運動に悪影響を及ぼす。たとえば、近隣の段の間の間隔が増加するとダクトが長くなり、結果的に、空気の流れに対する抵抗が大きくなる。EFAの全体的なサイズおよび重量も増加する。同期されかつ同位相にされたHVPSを用いると、効率を低減することなく、またはスパークの生成を増加させることなくHFAの段の間の間隔を低減することを可能にすることにより、これら負の局面が回避される。 If the above conditions are not met, the necessary result is that neighboring stages must be more spaced apart from each other than otherwise. When the spacing between stages is so increased, several conditions adversely affect the air movement. For example, increasing the spacing between neighboring stages increases the length of the duct and consequently increases the resistance to air flow. The overall size and weight of EFA also increases. Using synchronized and in-phase HVPS allows these negatives to be reduced by reducing the spacing between HFA stages without reducing efficiency or increasing spark generation. Aspects are avoided.
図12を参照すると、2段のEFA1200は、それぞれの第1および第2の段1212および1213と関連するHVPS1201および1202の対を含む。両方の段は実質的に同一であり、同一のHVPS1201および1202によって電力を供給される。HVPS1201および1202は、それぞれのパルス幅変調(PWM)コントローラ1204および1205、電力トランジスタ1206および1207、高電圧インダクタ1208および1209(すなわち、フィルタリングチョーク)、ならびに倍電圧器1201および1202を含む。HVPS1220および1221は段1212および1213のそれぞれのEFAのコロナ放電電極に電力を供給する。前と同じく、段1212および1213のEFAの電極は、1つのコロナ放電電極および1つの加速(アトラクタ)電極の1つの対として概略的に示されるが、各段は典型的には二次元のアレイとして構成された複数の電極の対を含む。PWMコントローラ1204、1205は、それぞれの電力トランジスタ1206および1207のゲートに高周波数パルスを生成する(およびピン7で供給する)。これらパルスの周波数は、抵抗器1216およびキャパシタ1217なら
びに抵抗器1218およびキャパシタ1219を含むそれぞれのRCタイミング回路によって決定される。通常、段の間のこれら構成要素の値のわずかな差は、2つのHVPSの段のわずかに異なる動作周波数につながる。しかしながら、周波数のわずかな変動でもEFA1200の段1212および1213の非同期の動作につながる。したがって、電源1201および1202の同期されかつ同位相にされた(すなわち、ゼロの位相の移動または差)の動作を保証するため、コントローラ1205は、抵抗器1215およびキャパシタ1214を含む同期入力回路を介してPWMコントローラ1204のピン1から同期信号パルスを受取るように接続される。この配置は、PWMコントローラ1205をPWMコントローラ1204に同期させて、両方のPWMコントローラの出力電圧パルスがともに同期され(同じ周波数)かつ同位相にされる(同じ位相)ようにする。
Referring to FIG. 12, a two stage EFA 1200 includes a pair of
図13Aおよび図13Bは2段のEFA装置の2つの異なる構成を示す断面図である。2つの段しか図示されないが、詳細な原理および構造は等しい。図13Aを参照すると、第1のEFA装置1311は、シリアルまたはタンデムな段1314および1315からなる。第1の段1314は、第1の垂直な列に整列した複数の平行なコロナ放電電極1301と、コロナ放電電極1301の列に平行な第2の列に整列した集電電極1302とを含む。すべての電極は、図面の頁の内外へ長手方向に延在する断面で示される。コロナ放電電極1301は、他の構成も可能であるが、図示のとおり導電性ワイヤの形態であり得る。集電電極1302は水平方向に細長い導電性バーとして示される。また、これは例示を目的としており、他の幾何学的形態および構成がこの発明のさまざまな実施例と合致して実現され得る。第2の段1315は、(同様に図面の頁に対して垂直に延在する細い導電性ワイヤとして示される)整列したコロナ放電電極1303と、(バーとして示される)集電電極1304との列を含む。すべての電極はエアダクト1305内に装着される。EFA1311の第1の段1314および第2の段1315は、それぞれ別個のHVPS(図示せず)によって電力が供給される。HVPSは同期されかつ同位相にされているので、第2の段1315のコロナ放電電極1303は、EPAの性能に悪影響を及ぼしたりその性能を下げたりすることなく、第1の段1314の集電電極1302に可能な限り近い規格化された距離に配置され得る。
13A and 13B are cross-sectional views showing two different configurations of a two-stage EFA apparatus. Although only two stages are shown, the detailed principles and structures are equal. Referring to FIG. 13A, the
例示の目的で、隣り合う段1314および1315の電極に印加されるすべての電圧とその成分(たとえば、acおよびdc)とが等しいと仮定する。さらに、コロナ放電電極1301および1303に高い電圧が印加され、かつ、集電電極1302および1304が接地される、すなわち、コロナ放電電極1301および1303に印加される高い電圧に対して共通の接地電位で維持されると仮定される。すべての電極は、互い違いに配置された列におけるそれ自体の段の相補的な電極と水平に整列しかつ垂直にオフセットされている別々の段の対応する電極と平行で垂直な列に配置される。コロナ放電電極1301と、垂直に隣接する最も近くの集電電極1302の前縁との間の規格化された距離1310はaN1に等しい。第2の段のコロナ電極1303と第1の段の集電電極1302の後縁との間の規格化された距離aN2(1313)は、aN1よりも大きないくらかの距離aN2であるはずであり、実際の距離はコロナ放電電極に印加される特定の電圧に依存する。いずれの場合も、aN2はaN1よりも大きくなくてはならず、すなわち、1〜2倍の距離aN1、より好ましくは1.1〜1.65倍のaN1、さらにより好ましくは約1.4倍のaN1の範囲内であるべきである。特に、図13Aに示されるように、距離aN2は、その間に電流の流れを作り出すコロナ開始電圧間の電圧を避けるのに必要とされる以上に大きくなくてはならない。この規格化された「スタント」距離aN2が1.4×aN1に等しいと仮定する。すると、隣り合う段の間における水平距離1312は、距離aN2(1313)未満である。図示のとおり、段内の間隔は、隣り合う段のうち同じ種類の電極が(図13Aに示される)1つの平面1320に位置する場合、最小限にされる。平面1314は、コロナ放電電極の縁を含む平面(図13Aにおける平面1317)と直交する平面として規定され得る。隣り合う段の同じ種類の電極が、異なっているが平行な平
面、たとえば(図13Bに示される)平面1321および1322に位置する場合、隣接するEFAの段の電極間における結果的な最小限の間隔は、線1319で示されるaN2に等しい。線1319の長さが距離1313(aN2)と同じであり、かつ距離1312よりも長いので、段の間の間隔が大きくなることに留意されたい。
For illustrative purposes, assume that all voltages applied to the electrodes of adjacent stages 1314 and 1315 and their components (eg, ac and dc) are equal. Further, a high voltage is applied to the
こうして、この発明のこれらの特徴は、3つの条件のうちの1つ以上をさまざまに組合せて満たすアーキテクチャを組込む。 Thus, these features of the present invention incorporate an architecture that satisfies various combinations of one or more of the three conditions.
1. 隣り合うEFAの段の電極は、実質的に同じ電圧波形で電力が供給される、すなわち、隣り合う電極上の電位は実質的に同じ交流成分を有するはずである。それらの交流成分は、大きさおよび位相がともに近いかまたは同一であるはずである。 1. Adjacent EFA stage electrodes are powered with substantially the same voltage waveform, ie, the potentials on adjacent electrodes should have substantially the same AC component. These alternating components should be close or identical in magnitude and phase.
2. 隣り合うEFAの段は狭い間隔で配置され、隣り合う段の間の間隔は、当該隣り合う段の電極間におけるいかなるコロナ放電をも避けるかまたは最小限にするのに十分な距離に制限されかつ決定されている。 2. Adjacent EFA stages are closely spaced, and the spacing between adjacent stages is limited to a distance sufficient to avoid or minimize any corona discharge between the electrodes of the adjacent stages, and It has been decided.
3. 隣り合う段の同じ種類の電極は、電極(または電極の前縁)が位置する平面と直交する同じ平面に位置するべきである。 3. The same type of electrodes in adjacent steps should be located in the same plane perpendicular to the plane in which the electrode (or the leading edge of the electrode) is located.
図14は、ワイヤ状のコロナ電極1402(他の数が含まれてもよいが、この発明を例示する目的で3つの電極が示され、典型的な装置は、所望の性能をもたらすのに適切なアレイで数十または数百の電極を有する)と、加速電極1409(この発明の簡略化された例においては2つ)とを含むEFA装置1400の概略図である。加速電極1409の各々は、比較的高抵抗の部分1403と低抵抗の部分1408とを含む。高抵抗部分1403は、101〜109'Ω−cm、より好ましくは105〜108'Ω−cm、さらに好ましくは106〜107'Ω−cmの範囲内の特定の抵抗ρを有する。
FIG. 14 shows a wire-like corona electrode 1402 (although other numbers may be included, three electrodes are shown for purposes of illustrating the present invention, and a typical apparatus is suitable for providing the desired performance. FIG. 2 is a schematic diagram of an
すべての電極は断面で示される。したがって、コロナ電極1402は細いワイヤの形または形状であるが、加速電極1409はバーまたはプレートの形状である。加速電極1409に最も近いコロナ電極1402の「下流」部分がイオン化縁1410を形成する。コロナ電極1402と加速電極1409の低抵抗部分1408とは、ワイヤ導体1404および1405を介して高電圧電源(HVPS)1401の反対側の極性端子に接続される。低抵抗部分1408は特定の抵抗ρ≦104'Ω−cmを有し、好ましくは1'Ω−cmを超えず、さらにより好ましくは0.1'Ω−cmを超えない特定の抵抗を有する。EFA1400は、矢印1407で示される所望の流体の流れの方向に流体の流れを作り出す。
All electrodes are shown in cross section. Accordingly, the
HVPS1401は、電界が電極間に形成されるように電極1402と集電電極1409との間に予め定められた電圧を生成するよう構成される。この電界は、1406として概略的に示される点描の流線によって表わされる。当該電圧がいわゆる「コロナ開始電圧」を上回ると、コロナ放電活動がコロナ電極1402の近傍において開始され、これにより、コロナ電極1402からの対応するイオン放出プロセスがもたらされる。
The
コロナ放電プロセスにより、流体イオンがコロナ電極1402から放出され、電界線1406に沿いかつこれに追従して加速電極1409の方に加速される。コロナ電流は、自由イオンおよび他の荷電微粒子の形であり、加速電極1409の最も近い端部に届く。次いで、コロナ電流が、周囲の流体のいくらか高抵抗の経路とは対照的に、電気抵抗が最も低い経路に沿って電極を通って流れる。加速電極1409の高抵抗部分1403が周囲のイオン化流体よりも低い抵抗を有するので、コロナ電流のかなりの部分が加速電極1409の本体を通り、すなわち高抵抗部分1403を通り低抵抗部分1408へ、さらに接続
ワイヤ1405を介して完結されるHVPS1401への戻り経路へと流れる。電流が(空気流1407の主要な方向に対して平行な)高抵抗部分1403の幅(図14を参照)に沿って流れると、電流経路に沿って電圧降下Vdが引起される。この電圧降下は、(差し当たり、低抵抗部分1408と接続ワイヤとの抵抗を無視するとして)コロナ電流Ic掛ける高抵抗部分1403の抵抗Rに比例している。次いで、コロナワイヤ102と加速電極1409の最も近いそれぞれの端部との間に印加された実際の電圧Vaは、抵抗によって誘導された電圧降下のために、HVPS1401の出力電圧Vout未満である。すなわち、
Va=Vout−Vd=Vout−Ic *R(1)
コロナ電流がコロナ電極1402と加速電極1409の端部との間の電圧Vaに非線形に比例しており、すなわち電流が電圧よりも速く増大することに留意されたい。電圧と電流との関係は経験式によって概算され得る。
Through the corona discharge process, fluid ions are emitted from the
V a = V out −V d = V out −I c * R (1)
Note that the corona current is non-linearly proportional to the voltage Va between the
Ic=k1 *(Va−V0)1.5,(2)
この場合、V0=コロナ開始電圧、k1=経験的に決定された係数、である。この非線形の関係は所望のフィードバックを与え、これが、事実上、電極にわたって現われる結果的な電圧Vaの値を自動的に制御し、コロナ放電の外乱および不規則さを防ぐか、最小限にするか、軽減するかまたは緩和する。コロナ放電プロセスが、温度、汚染、湿気、異物などの変わりやすい複数の環境因子に依存する本質的に「不規則な」(すなわち「予測できない」)コロナ電流値であると考えられることに留意されたい。何らかの理由で、電極間の空間の1つの位置におけるコロナ電流がどこか他の位置におけるよりも大きくなる場合、対応する高抵抗部分1403に沿った電圧降下Vdがより大きくなり、したがって、この位置における実際の電圧Vaがより低くなるだろう。これにより、この位置におけるコロナ電流が制限され、スパークまたはアークの発生が防止されるかまたは最小限にされる。
I c = k 1 * (V a −V 0 ) 1.5 , (2)
In this case, V 0 = corona start voltage and k 1 = empirically determined coefficient. The relationship between the nonlinear gives the desired feedback, which, in effect, automatically controls the value of the resulting voltage V a that appears across the electrodes, or prevent disturbances and irregularities of the corona discharge, to minimize Or alleviate or alleviate. It is noted that the corona discharge process is considered to be essentially “irregular” (ie “unpredictable”) corona current values that depend on multiple variable environmental factors such as temperature, contamination, moisture, and foreign objects. I want. If for some reason the corona current at one location of the space between the electrodes is greater than at some other location, the voltage drop V d along the corresponding
以下の例は、この発明の一実施例において用いられるかもしれない典型的な成分値を用いて例示の目的で示される。図14に概略的に示されるEFA1400の一実施例においては、コロナ開始電圧は、コロナ電極1402の近傍において最小限の30kV/cmの電界強度を達成するために8.6kVに等しくなると想定される。この値は計算、測定またはそれ以外の方法で決定されてもよく、コロナ/加速電極の10mmの間隔とコロナ電極の0.1mmの直径とに対するコロナ開始値に特有のものである。加速電極1409の高抵抗部分103の全抵抗Rtotalは0.5MΩに等しく、空気流方向1407に沿った高抵抗部分1403の幅(図14を参照)は1インチに等しい。空気流の方向に対して横方向の(すなわち、図面の平面の方への)加速電極1409の長さは24インチに等しい。したがって、加速電極1409の1インチごとに抵抗Rinchがある。
The following example is presented for purposes of illustration using typical component values that may be used in one embodiment of the present invention. In one embodiment of the
Rinch=Rtotal *24=12M'Ω
この特定の設計に対する経験的係数は、22*10-6に等しい。12.5kVに等しい印加された電圧Vaでは、コロナ電流Icは以下に等しい。
R inch = R total * 24 = 12M'Ω
The empirical factor for this particular design is equal to 22 * 10 −6 . For an applied voltage Va equal to 12.5 kV, the corona current I c is equal to:
Ic=4.6×10-9*(12,500V−8,600V)1.5=1.12mA.
しかしながら、半導体部分103の各インチを通って流れるコロナ電流Ic/inchは以下に等しい。
I c = 4.6 × 10 −9 * (12,500 V−8,600 V) 1.5 = 1.12 mA.
However, the corona current I c / inch flowing through each inch of the
1.12mA/24インチ=47μA/インチ.
したがって、この半導体部分103の1インチの長さにわたる電圧降下Vdは以下に等しい。
1.12 mA / 24 inch = 47 μA / inch.
Therefore, the voltage drop V d over the length of 1 inch of this
Vd=47*10-6A*12*106Ω=564V.
HVPS1401からのVoutは電極に印加された電圧Vaの合計に等しく、加速電極1409の半導体部分1403にわたる電圧降下Vdは以下のとおりである。
V d = 47 * 10 −6 A * 12 * 10 6 Ω = 564V.
V out from
Vout=12,500+564=13,064V.
何らかの理由で、ある局所区域におけるコロナ電流が、ある地点において94μAに等しくなるように、たとえば十分に分配された47μA/インチの値の2倍に増大する場合、結果的な電圧降下Vdはこの変化を反映し、1,128Vに等しくなるだろう(すなわち、Vd=94×10-6μA*12×106Ω)。すると、Va=Vout−Vd=13,064−1,128=11,936Vとなる。こうして、電圧降下Vdの増大により、局所区域における実際の電圧レベルが減衰され、この区域におけるコロナ電流が制限される。式(2)に従うと、この1インチの長さを通るコロナ電流Icは、1.12mAとは対照的に、4.6*10-9(11,936−8,600V)1.5/24インチと表わすことができる。この「負のフィードバック」効果は、これにより、何らかの局所的な不規則さがある場合でも通常のEFA動作を復元するよう動作する。たとえば、電極間の空間内に入ってくる異物(たとえば、塵など)によって短絡が発生した極端な状況においては、回路を通る最大電流は、当該異物が電極に接触する局所区域の抵抗によって実際上制限される。
Vout = 12,500 + 564 = 13,064V.
If for some reason the corona current in a certain local area increases to be equal to 94 μA at a certain point, for example twice the well-distributed value of 47 μA / inch, the resulting voltage drop V d is Reflecting the change will be equal to 1,128V (ie Vd = 94 × 10 −6 μA * 12 × 10 6 Ω). Then, V a = V out −V d = 13,064-1, 128 = 11,936V. Thus, increasing the voltage drop V d attenuates the actual voltage level in the local area and limits the corona current in this area. According to equation (2), the corona current I c through this 1 inch length is 4.6 * 10 −9 (11,936-8,600V) 1.5 / 24 inch, as opposed to 1.12 mA. Can be expressed as This “negative feedback” effect thereby operates to restore normal EFA operation in the presence of some local irregularities. For example, in an extreme situation where a short circuit has occurred due to foreign matter (eg dust) entering the space between the electrodes, the maximum current through the circuit is actually due to the resistance of the local area where the foreign matter contacts the electrode. Limited.
2つの電極を共に短絡させる、すなわち、コロナ電極1402と加速電極1409との間における(介在する流体の電気抵抗に比べて)比較的抵抗の低い電気経路をもたらす指またはねじ回しのような異物について考察する。電流が高抵抗部分1403の幅、すなわち1インチにほぼ等しい幅を有する区域を通って流れると当然仮定され得る。したがって、異物が最大の電流の流れImaxをもたらし得るが、Imaxは、
Imax=Vout/Rtotal=13,064V/12*106Ω=1.2mA
に等しく、これは、通常の動作電流1.12mAよりもわずかに大きい。このような電流のわずかな増加では感電の危険はないはずであり、またはいかなる不快音(たとえば、アークおよびポップノイズ)も生じないはずである。同時に、EFA全体の最大動作電流が、以下のとおりに、強い流体の流れ、たとえば少なくとも100ft3/minをもたらすのに十分な値に制限される。
For foreign objects such as fingers or screwdrivers that short the two electrodes together, ie, provide a relatively low resistance electrical path (compared to the electrical resistance of the intervening fluid) between the
I max = V out / R total = 13,064 V / 12 * 10 6 Ω = 1.2 mA
Which is slightly greater than the normal operating current of 1.12 mA. Such a slight increase in current should not present a risk of electric shock, or should not cause any unpleasant noise (eg, arc and pop noise). At the same time, the maximum operating current of the entire EFA is limited to a value sufficient to provide strong fluid flow, eg, at least 100 ft 3 / min, as follows:
Imax=13,064V/0.5MΩ=26mA
加速電極が比較的低い抵抗(たとえば、ρ≦104'Ω−cm、好ましくはρ≦1'Ω−cm、より好ましくはρ≦10-1'Ω−cm)を有する金属または別の材料でできている場合、短絡電流はHVPS1401の最大電力(すなわち最大電流容量)により、および/または、その出力フィルタ(たとえば、フィルタキャパシタ)に蓄積されたいかなるエネルギによっても制限されることとなり、これにより、ユーザに著しい感電の危険をもたらし、スパークによって生じる不快な「パチッ」という音または「ポップ」音を引起し、および/または、電磁気の障害(たとえば、無線周波妨害またはrfi)を発生させることとなる。概して、問題のない動作を提供するために高抵抗部分103の特定の抵抗特性および幾何学的構成(長さ対幅の比率)が選択されるが、EFAの動作には電流の制限を課さない。これは、(i)加速電極の全長(主要な流体の流れの方向に対して横方向のサイズ)と、(ii)加速電極の幅(流体の流れの方向に沿ったサイズ)との間の(好ましくは少なくとも10である場合の)比較的大きな比率を提供することによって達成される。一般に、電極の長さはその電極の幅よりも大きいはずである。最適な結果は、電極の位置および構成に依存して、複数の加速電極、好ましくは、コロナ電極の数のプラスマイナス1個以内の数に等しいいくつかの加速電極を設けることによって達成され得る。図14は例示の目的で2つの加速電極と3つのコロナ電極とを示すが、他の電極構成が4つの加速電極のうち同じ3つのコロナ電極に面する3つの加速電極を含むか、または他の数および構成の代替的な電極構成を含むだろうことに留意されたい。
I max = 13,064V / 0.5MΩ = 26mA
The acceleration electrode is made of a metal or another material having a relatively low resistance (eg, ρ ≦ 10 4 Ω-cm, preferably ρ ≦ 1′Ω-cm, more preferably ρ ≦ 10 −1 Ω-cm). If so, the short circuit current will be limited by the maximum power (ie, maximum current capacity) of the
局所的な過剰な電流が高抵抗材料の劣化に繋がるおそれがあることも考慮に入れるべき
である。これは、異物がいくらか長期間(たとえば、除去される前に数ミリ秒以上)にわたって電極間にひっかかる場合に特に当てはまる。過電流の状態による電極の損傷および関連する故障を防ぐために、HVPSは、このような過電流の事象を検出し、かつ速やかに発電を中断するかまたは電流の流れを妨げることのできる電流センサまたは他の装置を備えていてもよい。予め定められたリセットまたは休止期間Toffの後、残りまたは残余の短絡状態のいずれをも検出するのに十分な最小限の予め定められたいくらかの期間Tonにわたって発電が回復され得る。この短絡状態が続く場合、HVPSは、少なくとも期間Toffにわたって遮断されるか、またはそうでない場合不能化される可能性がある。こうして、過電流の問題が続く場合、EFAの安全な動作と電極の長い寿命とを確保するために、HVPS1401は、Tonよりも実質的に長い(たとえば10倍以上長い)Toffを有する何回かのサイクルにわたってこのオン・オフサイクルの動作を続け得る。ある場合においては、このサイクルは、手作業で介入する必要なしに、或る短絡した状態を除く効果を有することに留意されたい。
It should also be taken into account that excessive local currents can lead to degradation of the high resistance material. This is especially true if the foreign object is caught between the electrodes for some long period of time (eg, a few milliseconds or more before it is removed). To prevent electrode damage and related failures due to overcurrent conditions, the HVPS detects such overcurrent events and can quickly interrupt power generation or prevent current flow or Other devices may be provided. After a predetermined reset or rest period T off, power generation over some period of time T on stipulated sufficient minimum advance to detect any short circuit conditions of the remaining or residual can be recovered. If this short-circuit condition persists, the HVPS may be blocked for at least the period T off or otherwise disabled. Thus, in order to ensure safe operation of the EFA and long electrode life if the overcurrent problem persists, the
図15は、高抵抗部分を有する加速電極を備えたEFAの別の実施例を示す。図14に示されるEFA1400とEFA1500との間の主な相違は、後者においては、低抵抗部分1508が加速電極1509の高抵抗部分1503内に完全に収容される(すなわち、周囲の高抵抗材料によって完全に封入される)ことである。この変更により、この発明のこの実施例に少なくとも2つの利点が与えられる。第一に、高抵抗部分1503内に低抵抗部分1508を完全に封入すると、HVPS1501の高電圧の「ホットな」端子に不用意にまたは偶発的に直接接触するのを妨げることによってEFAの安全が高められる。第二に、この構成により、コロナ電流が、表面領域だけでなく、高抵抗部分1503のより多くの部分または体積を通じて流れるようにされる。大抵の高抵抗材料(たとえばプラスチックまたはゴム)に対する表面導電性は、体積(すなわち内部の)導電性と同じオーダであるが、累進的な表面の汚染および劣化のために劇的に異なる(たとえば、時間とともに数桁のオーダで増加しつつ変化する)可能性がある。
FIG. 15 shows another embodiment of an EFA with an acceleration electrode having a high resistance portion. The main difference between
EFAは、加速電極の表面における流体に存在する粒子を集める固有の能力を有する。いくらかの量または分量の粒子が集められるかまたは加速電極上に蓄積する場合、当該粒子は汚染物質の連続した固体層、たとえば連続した膜で電極の表面を覆う可能性がある。この汚染物質の層の導電性は、高抵抗材料自体の導電性よりも高い可能性がある。このような場合、コロナ電流はこの汚染物質層を通って流れ、高抵抗材料が与える利点を損なうおそれがある。図15のEFA1500は、高抵抗部分1503内に低抵抗部分1508を完全に封入することによってこの問題を回避する。低抵抗部分1508が、HVPS1501の供給端子またはHVPS1501から電力を供給する導電性ワイヤ1505と連続しているかまたはそれに直接接触するいずれかの点を有する必要がないことに留意されたい。これらの導電性部分の主な機能は、加速電極1509の長さに沿って電位の平衡を保つこと、すなわち低抵抗部分1508と接触する高抵抗部分1503がいくらかの等電位で維持されるように電流を分配することであることが理解されるべきである。加えて、(イオン化縁1510を含む)コロナ電極1502が接地される場合、高い動作電圧によって負傷および/または感電死を招くおそれのある危険な電流レベルに不注意にまたは偶発的にさらされる機会が実質的に減じられるかまたはなくなるが、これは、構造全体にわたって接触する「ホットな」電位が存在しないからである。
EFA has the inherent ability to collect particles present in the fluid at the surface of the accelerating electrode. If some amount or amount of particles are collected or accumulate on the accelerating electrode, the particles may cover the surface of the electrode with a continuous solid layer of contaminants, such as a continuous film. The conductivity of this layer of contaminants can be higher than the conductivity of the high resistance material itself. In such a case, corona currents can flow through this layer of contaminants, which can detract from the advantages provided by high resistance materials. The
図16は、(好ましくはイオン化縁1610を有する長手方向に向けられたワイヤとして形成される)コロナ電極1602と加速電極1603とを備えたEFAアセンブリ1600の概略図であり、当該加速電極1603は水平に積み重ねられた複数の高抵抗バーを含み、その各々が加速電極の幅に沿って低減する異なる抵抗値を有している。加速電極1603はいくつかのセグメント1608〜1612でできており、各々が、隣接する隣りのセグメントに直に接触している。これらのセグメントの各々は、異なる特定の抵抗値ρ
nを有する材料でできているかまたはそのように設計されている。特定の抵抗がHVPS1601端子接続の方に漸進的に(すなわち、セグメント1608〜1609、1611および1612から逓減して)減少する場合、結果的な電界が流体の流れの主要な方向に対する直線性の点でより均一であることが決定されている。図14および図16においては、コロナ電極1402/1502と加速電極1403/1503との間に示される電界線が流体の流れの主要な方向に対して完全に平行ではなく湾曲していることに留意されたい。この湾曲により、イオンおよび他の荷電粒子が方向の範囲にわたって加速され、これによりEFAの効率を低下させる。一連の加速電極抵抗値を有することにより、特にコロナ電流が或る最大値に達するとイオンの軌道が流体の流れの主要な方向と整列することが分かった。加速電極1603が、例示の目的でそれぞれの抵抗値ρnを持ついくつかの別個のセグメントを含むよう示されるが、抵抗値が電極の幅にわたって絶えず異なるようにされ得ることにも留意されたい。当該幅にわたる漸進的な抵抗の変動は、たとえば、漸進的な抵抗の増加または低減を達成するために適切に変化する濃度レベルで好適な不純物質をイオン注入することを含むいくつかのプロセスによって達成され得る。
FIG. 16 is a schematic diagram of an
Made of material with n or designed as such. If the specific resistance decreases progressively towards the HVPS 1601 terminal connection (ie, decreasing from segments 1608-1609, 1611 and 1612), the resulting electric field is a point of linearity with respect to the main direction of fluid flow. Has been determined to be more uniform. 14 and 16, note that the electric field lines shown between the
図17Aおよび図17Bは、加速電極1703が高抵抗材料で作られているEFA1700のさらに別の実施例の概略図である。例示の目的で、図17Aおよび図17Bは、特定の数のコロナ電極1702および加速電極1703をそれぞれ示すが、他の数および構成がこの発明のさまざまな実施例に合致して用いられてもよい。
17A and 17B are schematic views of yet another example of an
加速電極1703は、1つ以上の高抵抗材料の薄い細片または層でできている。コロナ電極1702は金属または導電性セラミックなどの低抵抗材料でできている。HVPS1701は導電性ワイヤ1704および1705によってコロナ電極1702および加速電極1703に接続される。コロナ電極1702の幾何学的構成は、電極が維持および据付が本質的により難しい針または細いワイヤとして形成され、かつEFAの通常の動作の途中で損傷を受けやすい幾何学的構成とは異なる。各コロナ電極1702の下流の縁はイオン化縁1710を含む。他の小さな物体と同様に、典型的にはコロナ電極に用いられる細いワイヤは脆いので信頼性がない。代わりに、図17Aおよび図17Bに示されるこの発明の実施例は、比較的幅の広い金属製の細片の形をしたコロナ電極を備える。これらの金属の細片は、その「下巻の」縁に沿ってコロナ放電を容易に発生させるように必然的にコロナ放電端部が薄いが、当該細片は(空気流の向きに沿った方向に)比較的広く、これにより、それに対応して細いワイヤほど脆弱ではない。
The acceleration electrode 1703 is made of a thin strip or layer of one or more high resistance materials. The
図17Aに示されるEFA1700の別の利点は、先のシステムにおいて用いられるよりも実質的に薄い加速電極1703を含む。すなわち、先の加速電極は、加速電極の縁の周辺および周囲に電界を発生させないようにするために、典型的には関連するコロナ電極よりもはるかに厚い。図17Aに示される構成は、加速電極1703の平坦な面とは逆または反対側のコロナ電極1702の縁(この発明の図ではコロナ電極の右側の「下巻の」縁)の配置により、加速電極1703による電界の発生を最小限にするかまたはなくす。すなわち、コロナ電極1702の本体のうち少なくとも一部分が加速電極1703の前縁を通り過ぎる所望の流体の流れの方向へ下巻の方に延在し、これにより、コロナ電極1702のその後縁に沿った動作部分が、加速電極1703の延在した平坦面の間かつそれらのすぐ近くにコロナ放電を発生させる。この方向付けおよび構成により、コロナ電極1702の後縁の周囲に形成される対応する電界強度よりも実質的に低い電界強度がこのような平坦面の近傍において与えられる。こうして、コロナ放電は、加速電極1703の表面ではなく、コロナ電極1702の後縁の近傍に生成される。
Another advantage of the
コロナ放電の開始直後に、コロナ電流が、流体内のイオンおよび荷電粒子の生成と、導電性ワイヤ1705を介する加速電極1703の本体に沿ったHVPS1701へのこのような電荷の移動とにより、コロナ電極1702と加速電極1703との間に位置する加
速すべき流体(たとえば空気、絶縁液体など)を通って流れる。反対方向には(すなわち、加速電極1703から流体を通りコロナ電極1702へと)電流が流れないので、バックコロナは生成されない。この構成により、(矢印1707で示される)所望の流体の流れの方向に対し、別の構成で与えられ得るよりも実質的に直線的な(線1706で表される)電界がもたらされることがさらに分かった。流体の流れの主要な方向に対して横方向の電界の等電位線を生成する加速電極1703にわたる電圧降下により、電界の直線性が一層高められる。電界線がこのような等電位線と直交しているので、当該電界線は主要な流体の流れの方向に対しより平行となる。
Immediately after the start of the corona discharge, the corona current is generated by the generation of ions and charged particles in the fluid and the transfer of such charges to the
図17Aに示されるEFA1700の別の利点は、加速電極1703の介在する構造によりコロナ電極1702の活性部分(すなわち、図に示される右縁)を互いから隔離することによって提供される。こうして、コロナ電極は互いを「見ることなく」、したがって、先のシステムとは異なり、コロナ電極1702は互いに極めて近接して(すなわち、図17Aに示されるように垂直方向に)位置決めされ得る。図17Aに関連して説明される設計の特徴を用いることにより、実質的でより大きな流体の流れを実現するのを阻む2つの主要な障害が回避される。これらの障害のうち第1の障害は、典型的な加速電極の比較的前面が厚い部分によってもたらされる高い空気抵抗である。この発明の構成により、抗力が低い幾何学的構成を有する、すなわち空気力学的に「好適な」形状に形成されるコロナ電極および加速電極がともに提供される。たとえば、これらの幾何学的構成がもたらす大気に対する抗力Cdの係数は、1を超えず、好ましくは0.1未満、より好ましくは0.01未満である。実際の幾何学的構成または形状は所望の流体の流れと加速すべき流体の粘性とに必然的に依存しており、これらの因子は設計間で異なっている。
Another advantage of the
この発明のこの実施例によって克服される第2の障害は、先の構成に従って必要とされかつ先の構成によって認められる従来の電極間の間隔の要件のために起こり得る結果的に低密度な電極である。たとえば、引用によりこの明細書中に全体が援用される米国特許第4,812,711号は、互いから50mmの距離の間隔を空けて配置された4つのコロナ電極を示す。当然のことながら、この比較的低密度で少数の電極では、結果として得られる低レベルの流体の流れでもって極めて低電力のレベルにしか対処し得ない。対照的に、この発明の実施例は、コロナとアトラクタとの間の10mm未満、好ましくは1mm未満の間隔に対処する。 The second obstacle overcome by this embodiment of the present invention is the resulting low density electrode that can occur due to the requirement of spacing between conventional electrodes required according to the previous configuration and recognized by the previous configuration. It is. For example, US Pat. No. 4,812,711, incorporated herein by reference in its entirety, shows four corona electrodes that are spaced 50 mm apart from each other. Of course, this relatively low density and small number of electrodes can only handle very low power levels with the resulting low level fluid flow. In contrast, embodiments of the present invention address the spacing between the corona and the attractor of less than 10 mm, preferably less than 1 mm.
電極のさらに別の構成が図17BのEFA1700に関連して示される。この場合、コロナ電極1702は、矢印1707で示される所望の流体の流れの方向に加速電極1703から予め定められた距離をあけて配置される。また、結果的な電界は、コロナ電極1702から出て加速電極1703に向けられる破線で示されるように実質的に直線的である。しかしながら、所望の流体の流れの方向に対して、コロナ電極1702が加速電極1703の「中間」には配置されないことに留意されたい。
Yet another configuration of electrodes is shown in connection with
図17Aに示されるこの発明のさまざまな実施例の目的は、他の場合に可能であるかまたは他のEFA装置によって実現される以外の現在の製造技術と合致した間隔のより狭いコロナ電極(すなわち、より高密度の電極)を実現することに向けられる。すなわち、極端に薄く短い電極は、たとえば現在の微小電気機械システム(MEMS)と関連する半導体技術および能力と合致する単一の製造プロセスまたはステップによって容易に製造可能である。図17Aを再び参照すると、隣接するコロナ電極1702が互いから1mm未満またはさらにはわずか数μm未満の距離だけ間隔をあけて垂直に配置され得ることが分かるだろう。結果として電極密度が増加することにより、流体加速および流量が向上する。たとえば、米国特許第4,812,711号は、毎秒(m/sec)0.5メートルの気流速度しか発生させることのできない装置を説明する。そうではなく、電極が1mmの間隔をあけて配置される場合、電極密度の50倍の増加と電力能力の向上とが実現されて、
気流速度がこれに対応して、すなわち約25m/secまたは5,000ft/minにまで高められ得る。さらに、いくつかのEFAの段は、所望の流体の流れの水平な方向に連続して、またはタンデムに配置されてもよく、各段はさらに、それが連続した段を通過すると流体を加速させる。当該段の各々は直接隣接した段から予め定められた距離に配置され、この距離は、各段の対向する電極に印加される最大電圧によって決定される。特に、ある段のコロナ放電電極および加速電極がともにより近接して配置される場合、コロナ放電を開始しかつ維持するのに必要な電圧がより少なくて済む。したがって、EFAの全段は同様に、各段内で用いられるよりも低い動作電圧を考慮して、互いにより近接して配置され得る。この関係により、段内の(たとえば垂直方向の)電極密度にほぼ比例した水平方向の段密度が得られる。こうして、流体の流れの加速が電極間の距離の2乗に反比例するように、電極の「垂直」密度の増加が類似の「水平」密度をもたらすことが予想され得る。
The purpose of the various embodiments of the invention shown in FIG. 17A is to provide a narrower-spaced corona electrode (ie, consistent with current manufacturing techniques other than possible or realized by other EFA devices). Towards higher density electrodes). That is, extremely thin and short electrodes can be readily manufactured by a single manufacturing process or step consistent with semiconductor technology and capabilities associated with, for example, current microelectromechanical systems (MEMS). Referring again to FIG. 17A, it will be appreciated that
The air velocity can be correspondingly increased, i.e. to about 25 m / sec or 5,000 ft / min. In addition, several EFA stages may be arranged continuously or in tandem in the horizontal direction of the desired fluid flow, each stage further accelerating the fluid as it passes through the successive stages. . Each of the stages is located at a predetermined distance from a directly adjacent stage, and this distance is determined by the maximum voltage applied to the opposing electrode of each stage. In particular, if a certain stage of corona discharge electrode and acceleration electrode are placed closer together, less voltage is required to initiate and maintain corona discharge. Thus, all stages of the EFA can similarly be placed closer to each other, taking into account the lower operating voltage used in each stage. This relationship provides a horizontal step density that is approximately proportional to the electrode density within the step (eg, in the vertical direction). Thus, it can be expected that increasing the “vertical” density of the electrodes will result in a similar “horizontal” density so that the acceleration of fluid flow is inversely proportional to the square of the distance between the electrodes.
この発明のさまざまな実施例によって実現される利点は、加速電極の一部分として高抵抗材料を用いることに少なくとも部分的に起因する。高抵抗材料は、比較的高抵抗の材料、たとえば、炭素入りのプラスチックまたはゴム、ケイ素、ゲルマニウム、錫、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、セレン化カドミウムなどを含み得る。これらの材料は、101〜1010'Ω−cm、より好ましくは104〜109'Ω−cm、より好ましくは106〜107'Ω−cmの範囲の特定の抵抗ρを有するはずである。高抵抗材料を用いることにより高い電極密度が支持される。たとえば、近接して配置された金属の加速電極は、高い頻度でスパーク事象を発生させる不安定な動作特性を示す。対照的に、この発明の実施例に従った高抵抗電極は、より直線的な電界を生成し、これにより、スパークの発生と、加速電極の鋭い縁から出てくるバックコロナの生成とを最小限にする。バックコロナの除去については図17Aを参照すると理解され得る。 The benefits realized by the various embodiments of the present invention are due at least in part to the use of high resistance materials as part of the acceleration electrode. High resistance materials may include relatively high resistance materials such as carbon-filled plastics or rubber, silicon, germanium, tin, gallium arsenide, indium phosphide, boron nitride, silicon carbide, cadmium selenide, and the like. These materials should have a specific resistance ρ in the range of 10 1 to 10 10 'Ω-cm, more preferably 10 4 to 10 9 ' Ω-cm, more preferably 10 6 to 10 7 'Ω-cm. It is. High electrode density is supported by using a high resistance material. For example, closely spaced metal acceleration electrodes exhibit unstable operating characteristics that frequently generate spark events. In contrast, a high resistance electrode according to an embodiment of the present invention produces a more linear electric field, thereby minimizing the occurrence of sparks and back corona that emerges from the sharp edges of the acceleration electrode. Limit. The removal of the back corona can be understood with reference to FIG. 17A.
さらに図17Aを参照すると、コロナ放電事象が、コロナ電極1702の後縁または右縁においてまたはそれに沿って発生するが、加速電極1703の前縁または左縁に沿って発生しないことが示され得る。これは、コロナ放電プロセスによって発生する電圧および電界分布のためである。たとえば、加速電極1703の左縁は、薄いかまたは鋭利にされているコロナ電極1702の右縁よりも少なくともいくらか厚い。電極付近の電界が電極の厚さにほぼ比例しているので、コロナ放電はコロナ電極1702の前縁で始まる。次いで、結果的なコロナ電流が、コロナ電極1702の後縁からHVPS1701の高電圧端子へと2つの経路を通って流れる。第1の経路は、線1706で示される電界に沿った流体のイオン化された部分を通る。第2の経路は加速電極1703の本体を通る。加速電極1703の本体を通って流れるコロナ電流は、結果として、この本体に沿って電圧降下をもたらす。この電圧降下は、加速電極1703の右縁に印加されるように高電圧端子から当該電極の左縁の方に進む。コロナ電流が増大すると、対応する増加がこの電圧降下に示される。HVPS1701の出力電圧が、加速電極1703の左縁に沿ってコロナ放電を始めるのに十分なレベルに達すると、これらの縁における電圧降下は、いかなる電圧の上昇をも減衰させ加速電極の縁に沿ったコロナ放電を妨げるのに十分に高い。
Still referring to FIG. 17A, it can be shown that a corona discharge event occurs at or along the trailing or right edge of the
この発明の他の実施例は、電極間の間隔をたとえば数ミクロンのオーダに減じ得る。このような間隔では、コロナ放電状態は比較的低い電圧で開始され得るが、そのコロナ放電は、電圧自体ではなく、電圧によって発生する高強度の電界によって引起こされる。この電界強度は、印加される電圧にほぼ比例し、対向する電極間の距離に反比例している。たとえば、約8kVの電圧は、約1cmの電極間の間隔でコロナ放電を開始するのに十分である。電極間の間隔を10分の1の1mmに減ずることにより、コロナ放電を開始するのに必要な電圧が約800ボルトにまで減じられる。電極間の間隔を0.1mmにさらに減ずると所要のコロナ開始電圧が80Vに減じられ、10ミクロンの間隔ではコロナ放電を開始するのに8ボルトしか必要とされない。これらのより低い電圧によって電極間の間隔
と各段の間の間隔とがより狭くなり、これにより、全体的な流体の加速が数倍に増す。先に述べたように、この増大は電極間の距離の2乗にほぼ反比例しており、結果として、1cmの間隔と比べて、空気流の全体的な増加がそれぞれ100,10,000および1,000,000となる。
Other embodiments of the invention can reduce the spacing between the electrodes, for example to the order of a few microns. At such intervals, the corona discharge state can be initiated at a relatively low voltage, but the corona discharge is caused by a high intensity electric field generated by the voltage, not the voltage itself. The electric field strength is substantially proportional to the applied voltage and inversely proportional to the distance between the opposing electrodes. For example, a voltage of about 8 kV is sufficient to initiate a corona discharge with a spacing between the electrodes of about 1 cm. By reducing the spacing between the electrodes to 1/10 mm, the voltage required to initiate corona discharge is reduced to about 800 volts. If the spacing between the electrodes is further reduced to 0.1 mm, the required corona onset voltage is reduced to 80V, and at a 10 micron spacing, only 8 volts is required to initiate corona discharge. These lower voltages reduce the spacing between the electrodes and the spacing between each stage, thereby increasing the overall fluid acceleration several times. As stated earlier, this increase is approximately inversely proportional to the square of the distance between the electrodes, resulting in an overall increase in airflow of 100, 10,000 and 1 respectively compared to the 1 cm spacing. , 000,000.
高抵抗電極構造を用いる利点のさらなる説明が図18Aおよび図18Bに関連して述べられる。図18Aを参照すると、EFA1800はコロナ電極1802と加速電極1803とを含む。加速電極1803は、低抵抗部分1804と高抵抗部分1806とを含む。コロナ電流は、矢印1805で示される電流の経路を介しコロナ電極1802と加速電極1803との間に存在するイオン化流体を通って(すなわち電極間の空間を通って)流れるが、その経路は、矢印で示されるように加速電極1803の高抵抗部分1806を通じて続いている。局所的な外乱、たとえばスパーク事象が発生すると、結果的な放電電流が、図18Bの矢印1807で示される狭い経路を通るよう導かれる。次いで、当該電流が、高抵抗部分1806にわたってより幅広の経路1808に沿って進む。増加した電流の流れが加速電極1803の小さな領域から出て、経路1808にわたって次第に外方向に広がるだけであるので、経路1808にわたる結果的な抵抗は、このような電流が高抵抗部分1806の全体にわたって分配される場合よりも実質的に高くなる。したがって、増加した電流の流れによって知らされるスパークまたはスパーク前の事象が経路1808に沿った抵抗によって制限され、これにより電流が制限される。高抵抗部分1806が特定の抵抗と幅対長さの比率とを有するよう選択される場合、いかなる著しい電流増加も回避または軽減され得る。このような電流増加は、上述の放電もしくはスパーク、電極上もしくは電極間の異物(たとえば塵、虫など)の存在、ねじ回し、または電極間に据えられ電極に接触する指さえも含むいくつかの事象によって引起こされる可能性がある。
Further explanation of the advantages of using a high resistance electrode structure will be given in connection with FIGS. 18A and 18B. Referring to FIG. 18A, the
この発明の別の実施例が図19に示される。図示のとおり、EFA1900は加速電極1903の櫛状の高抵抗部分1906を含む。スパークなどのいかなる局所的な事象も、吸引電極1903のごく一部分にわたって、たとえば事象付近の単一または少数の歯にわたって流れるよう明確に制限される。通常の動作状態に関連付けられるコロナ電流は矢印1905で示される。たとえば、矢印1907および1908で示されるスパークなどの事象は、指または歯1906に沿って流れるよう制限される。この経路にわたる抵抗は、事象によってもたらされる電流のいかなる増加をも抑えるのに十分に高い。幅対長さの比率を選択するのではなく、歯の数を増すことで性能が高められることに留意されたい。典型的な1対0.1の幅対長さの比率が適切であり得るが、0.05対1以下の比率がより好ましいだろう。
Another embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown, the
記載されたように、この発明のさまざまな特徴により、コロナ放電またはイオンの放出を発生させるために固体以外の材料を用いることが可能となる。概して、固体材料は単に「しぶしぶ」イオンの生成を諦め、これにより流体のEFA加速を制限する。同時に、水などの多くの流体は、コロナ放電を引起すよう位置決めされかつ形作られる場合、より多くのイオンを放出し得る。たとえば、コロナ放出材料として導電性流体を用いることが米国特許第3,751,715号に記載される。その中においては、涙滴の形をした容器が、導電性流体を入れるためのくぼみとして記載される。導電性流体は、たとえば水道水であってもよく、またはより好ましくは、NaCl、HNO3、NaOHなどの強電解質を含む水溶液であってもよい。図20は、EFA2000が5つの加速電極2003と4つのコロナ電極2002とを含むこの発明の実施例に従ったEFAの動作を示す。これらの電極はすべて断面で示される。コロナ電極は各々、狭く細長い非導電性シェル2009から成り、当該非導電性シェル2009はプラスチックまたはシリコンなどの絶縁材料で作られ、シェルの後縁または右側におけるイオン化縁2010においてスロット2011が形成されている。コロナ電極2002のシェル2009は、適切な供給管を介して導電性の流体供給部または貯蔵器(図示せず)に接続される。コロナ電極2002の後縁に形成
されるスロット2011は、流体が流体分子の張力によってシェル2009内に収容されるように十分に狭い。スロット2011は、スロットを通して導電性流体をゆっくりと一定に放出するために、スポンジ状の「障害」またはノズル部分を備えていてもよい。HVPS2001は、導電性流体2008が先の鋭い導体として作用し、かつスロット2011におけるコロナ電極2002の後縁からイオンを放出するように、コロナ放電を発生させるのに十分な電圧を生成する。導電性流体2008の結果的なイオンは、線2006で表される電界に沿ってスロット2011から加速高抵抗電極2003の方に移動する。流体がコロナ放電の発生に消費されると、当該流体は、適切な流体供給部または貯蔵器(図示せず)からシェル2009を介して補充される。
As described, the various features of the present invention allow the use of materials other than solids to generate corona discharges or ion emissions. In general, solid materials simply give up the production of “reluctantly” ions, thereby limiting the EFA acceleration of the fluid. At the same time, many fluids, such as water, can release more ions when positioned and shaped to cause a corona discharge. For example, the use of a conductive fluid as a corona discharge material is described in US Pat. No. 3,751,715. In it, a container in the form of a tear drop is described as a recess for containing a conductive fluid. The conductive fluid may be, for example, tap water, or more preferably an aqueous solution containing a strong electrolyte such as NaCl,
この明細書中に言及されるすべての公報、特許および特許出願がこの発明が関係する当業者のレベルを示すことが留意されかつ理解されるべきである。すべての公報、特許および特許出願は、個々の公報、特許または特許出願の各々が全体として引用により具体的かつ個別に援用されるよう示されたのと同程度に、引用によりこの明細書中に援用される。 It should be noted and understood that all publications, patents and patent applications mentioned in this specification are indicative of the level of ordinary skill in the art to which this invention pertains. All publications, patents and patent applications are herein incorporated by reference to the same extent as if each individual publication, patent or patent application was shown to be specifically and individually incorporated by reference in its entirety. Incorporated.
Claims (113)
電力を負荷装置に供給するよう動作可能な高電圧電源と、
前記負荷装置における1つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、
前記負荷におけるスパーク前の状態を識別するために前記1つ以上の電磁パラメータに応答する第1の検出器と、
前記高電圧電源が、前記スパーク前の状態に応答して前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第1の検出器に接続された第2の検出器とを含む、スパーク管理装置。 A spark management device,
A high voltage power supply operable to supply power to the load device;
A sensor operable to monitor one or more electromagnetic parameters in the load device;
A first detector responsive to the one or more electromagnetic parameters to identify a pre-spark condition at the load;
A second detector connected to the first detector to allow the high voltage power supply to quickly change the magnitude of the power to a desired level in response to the pre-spark condition; Including a spark management device.
回路を含み、これにより、前記電力のうち少なくとも一部分が、前記スパーク前の状態の前記識別に応答して前記負荷装置から前記補助装置に向けられる、請求項1に記載のスパーク管理装置。 The first detector includes a circuit for selectively supplying power to an auxiliary device in addition to the load device, whereby at least a portion of the power is used for the identification of the pre-spark condition. The spark management device according to claim 1, wherein the spark management device is directed from the load device to the auxiliary device in response.
高電圧電力を装置に供給するステップと、
前記高電圧電力が前記装置のスパーク前の状態を検出するよう電磁パラメータを監視するステップと、
前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電力を制御して、前記スパーク前の状態に関連付けられるスパーク事象の発生を制御するステップとを含む、方法。 A spark management method,
Supplying high voltage power to the device;
Monitoring electromagnetic parameters such that the high voltage power detects a pre-spark condition of the device;
Controlling the high voltage power in response to the pre-spark condition to control the occurrence of a spark event associated with the pre-spark condition.
電力の源を、一次電圧レベルから前記一次電圧レベルよりも高い二次電圧レベルに変圧するステップと、
前記電力を前記二次電圧レベルで整流して、前記高電圧電力を前記装置に供給するステップとを含む、請求項16に記載の方法。 The step of supplying high voltage power comprises:
Transforming a source of power from a primary voltage level to a secondary voltage level higher than the primary voltage level;
And rectifying the power at the secondary voltage level and providing the high voltage power to the device.
前記高電圧電力で前記コロナ放電電極に通電するステップと、
前記流体にコロナ放電を発生させるステップと、
前記コロナ放電の影響下で前記流体を加速するステップとをさらに含む、請求項16に記載の方法。 Introducing a fluid into the corona discharge electrode;
Energizing the corona discharge electrode with the high voltage power;
Generating a corona discharge in the fluid;
17. The method of claim 16, further comprising accelerating the fluid under the influence of the corona discharge.
コロナ放電電極およびコレクタ電極のアレイと、
高電圧電力を前記コロナ放電電極に供給するための、前記アレイに電気的に接続された
高電圧電源と、
前記高電圧電力の電磁パラメータを監視するよう構成されたセンサと、
前記負荷装置に供給される前記電力を制御するために前記スパーク前の状態の識別に応答する第1の検出器と、
前記第1の検出器に接続された第2の検出器とを含み、前記第2の検出器は、前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電力の電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えるよう前記高電圧電源を制御するよう動作可能である、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
An array of corona discharge electrodes and collector electrodes;
A high voltage power supply electrically connected to the array for supplying high voltage power to the corona discharge electrodes;
A sensor configured to monitor electromagnetic parameters of the high voltage power;
A first detector responsive to identification of the pre-spark condition to control the power supplied to the load device;
A second detector connected to the first detector, wherein the second detector sets the magnitude of the high voltage power to a desired level in response to the pre-spark condition. An electrostatic fluid accelerator operable to control the high voltage power source to change quickly.
予め定められた範囲内の全電極間のキャパシタンスを供給するように、少なくとも1つのコロナ放電電極と前記コロナ放電電極の近くに位置決めされる少なくとも1つのコレクタ電極とを含むコロナ放電装置と、
前記コロナ放電電極と前記コレクタ電極との間にコロナ電流を流れさせるために、前記電極間に電圧を印加することによって電力信号を供給するよう前記コロナ放電電極と前記コレクタ電極とに接続された電源を含み、前記電圧およびコロナ電流はともに、各々、互いの上に重畳されたそれぞれの直流成分および交流成分の合計であり、前記電圧の前記直流成分の振幅で除した前記電圧の前記交流成分の振幅の電圧比の値が、前記コロナ電流の前記直流成分の振幅で除した前記コロナ電流の前記交流成分の振幅のコロナ電流比の値よりもかなり小さい、装置。 An apparatus for processing a fluid,
A corona discharge device including at least one corona discharge electrode and at least one collector electrode positioned proximate to the corona discharge electrode to provide capacitance between all electrodes within a predetermined range;
A power source connected to the corona discharge electrode and the collector electrode to supply a power signal by applying a voltage between the electrodes to cause a corona current to flow between the corona discharge electrode and the collector electrode. The voltage and the corona current are each the sum of the respective DC and AC components superimposed on each other, and are divided by the amplitude of the DC component of the voltage. An apparatus wherein the value of the voltage ratio of amplitude is significantly less than the value of the corona current ratio of the amplitude of the AC component of the corona current divided by the amplitude of the DC component of the corona current.
前記電力信号の前記一定電流成分の前記振幅が、前記電力信号の前記コロナ電流の前記交流成分の前記振幅の10倍を超えない、請求項27に記載の装置。 The amplitude of the AC component of the corona current of the power signal does not exceed 10 times the amplitude of the DC component of the power signal;
28. The apparatus of claim 27, wherein the amplitude of the constant current component of the power signal does not exceed 10 times the amplitude of the AC component of the corona current of the power signal.
予め定められた範囲内の全電極間のキャパシタンスを供給するように、少なくとも1つのコロナ放電電極と前記コロナ放電電極の近くに位置決めされる少なくとも1つのコレクタ電極とを含むコロナ放電装置に流体を導入するステップと、
前記電極間にコロナ電流を流れさせるために前記コロナ放電電極と前記コレクタ電極との間に電圧を印加することにより前記コロナ放電装置に電力信号を供給するステップとを含み、前記電圧および前記コロナ電流はともに、各々、互いの上に重畳されるそれぞれの直流成分および交流成分の合計を含みかつ前記合計であり、前記電圧の前記直流成分の振幅で除した前記電圧の前記交流成分の振幅の電圧比の値は、前記コロナ電流の前記直流成分の振幅で除した前記コロナ電流の前記交流成分の振幅のコロナ電流比の値よりもかなり小さい、方法。 A method of processing a fluid comprising:
Introducing fluid into a corona discharge device including at least one corona discharge electrode and at least one collector electrode positioned proximate to the corona discharge electrode so as to provide capacitance between all electrodes within a predetermined range And steps to
Supplying a power signal to the corona discharge device by applying a voltage between the corona discharge electrode and the collector electrode to cause a corona current to flow between the electrodes, the voltage and the corona current Each includes the sum of the respective DC and AC components superimposed on each other and is the sum, the voltage of the amplitude of the AC component of the voltage divided by the amplitude of the DC component of the voltage The ratio value is substantially less than the value of the corona current ratio of the amplitude of the AC component of the corona current divided by the amplitude of the DC component of the corona current.
前記コロナ電流の前記直流成分の前記振幅が、前記コロナ電流の前記交流成分の前記振幅の10倍を超えない、請求項43に記載の方法。 The amplitude of the AC component of the corona current does not exceed 10 times the amplitude of the DC component of the corona current;
44. The method of claim 43, wherein the amplitude of the DC component of the corona current does not exceed 10 times the amplitude of the AC component of the corona current.
特定の出力電圧および電流で高電圧電力を供給する高電圧電源を含み、前記電圧および電流の波形は、各々、直流成分および交流成分を含み、前記静電流体加速器はさらに、
電極の複数の段を含む静電流体加速器ユニットを含み、電極の前記段の各々は、少なくとも1つのコロナ放電電極と少なくとも1つの相補的な電極とを含み、電極の前記段は、そこを通る流体を連続的に加速するようタンデムに配置され、前記電極は、前記出力電圧の前記交流成分の実質的に同一の波形を有する前記高電圧電力を受取るよう前記高電圧電源に接続される、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
A high voltage power supply that provides high voltage power at a specific output voltage and current, wherein the voltage and current waveforms each include a direct current component and an alternating current component, the electrostatic fluid accelerator further comprising:
An electrostatic fluid accelerator unit including a plurality of stages of electrodes, each of the stages of electrodes including at least one corona discharge electrode and at least one complementary electrode, through which the stages of electrodes pass Statically disposed in tandem to continuously accelerate fluid, the electrodes being connected to the high voltage power source to receive the high voltage power having substantially the same waveform of the AC component of the output voltage. Current body accelerator.
て接続され、前記高電圧電源は、前記変換器によって供給される前記高電圧電力の前記交流成分を同期するための前記変換器に接続されるコントローラをさらに含む、請求項59に記載の静電流体加速器。 The high voltage power supply includes a plurality of converters for converting primary power to the high voltage power, each of the converters independently of each of the stages to supply the high voltage power thereto. 60. The electrostatic fluid of claim 59, further comprising a controller connected to the converter for synchronizing the alternating current component of the high voltage power supplied by the converter. Accelerator.
高電圧電力を供給し、複数の出力回路を含む高電圧電源を含み、前記複数の出力回路は各々、互いに実質的に同位相であるそれぞれの電気出力電力信号を独立して供給し、前記静電流体加速器はさらに、
複数の段を含む静電流体空気加速器ユニットを含み、前記段の各々は、コロナ放電電極の第1のアレイと、空気流の方向に沿って前記第1のアレイから間隔をあけて配置されるアトラクタ電極の第2のアレイとを含み、前記段の各々は、前記電気出力電力信号のうち対応する信号を、前記第1のアレイおよび前記第2のアレイのうち対応するアレイの前記コロナ放電電極と前記アトラクタ電極とに供給するために前記出力回路のそれぞれに接続される、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
A high-voltage power supply including a plurality of output circuits, each of the plurality of output circuits independently supplying a respective electrical output power signal that is substantially in phase with each other; The current body accelerator further
An electrostatic fluid air accelerator unit including a plurality of stages, each of the stages being spaced apart from the first array of corona discharge electrodes and along the direction of air flow from the first array. A second array of attractor electrodes, wherein each of the stages outputs a corresponding signal of the electrical output power signal to the corona discharge electrode of the corresponding array of the first array and the second array. And an electrostatic fluid accelerator connected to each of the output circuits for feeding to the attractor electrode.
電力信号を同期するための前記コントローラのうち少なくとも1つに接続される、請求項70に記載の静電流体加速器。 The high voltage power supply of the high voltage power further includes a plurality of transformers, a rectifier circuit, and a controller connected to each of the output circuits, each of the controllers for synchronizing the electrical output power signal 71. The electrostatic fluid accelerator of claim 70, connected to at least one of the controllers.
一次電力信号を複数の独立した電圧に変圧するステップを含み、前記電圧の各々は独立した高周波数電力信号を含み、前記方法はさらに、
前記複数の独立した高周波数電力信号を共通の周波数および位相に同期するステップと、
コロナ放電電極および加速電極のアレイに前記高電圧のそれぞれで電力を供給するステップと、
前記アレイの各々を通る流体を連続的に加速するステップとを含む、方法。 A method of accelerating a fluid,
Transforming a primary power signal into a plurality of independent voltages, each of the voltages including an independent high frequency power signal, the method further comprising:
Synchronizing the plurality of independent high frequency power signals to a common frequency and phase;
Supplying power at each of the high voltages to an array of corona discharge electrodes and acceleration electrodes;
Continuously accelerating fluid through each of the arrays.
それぞれのイオン化縁を有する第1の数のコロナ電極と、
間隔をあけて配置され、前記コロナ電極の前記イオン化縁の隣接する縁に実質的に平行なそれぞれの縁を有する第2の数の加速電極と、
前記コロナ電極と前記加速電極との間の電極間の空間に高い強度の電界を発生させるために、前記コロナ電極および前記加速電極に動作電圧を供給するよう接続された電源とを含み、
前記加速電極は高電気抵抗材料でできており、前記電極の各々は、所望の流体の流れの方向に対して横方向に方向付けられた相互に垂直な長さおよび高さの寸法と、前記所望の流体の流れの方向に対して平行に方向付けられた幅寸法とを有し、所望の流体の流れの方向に対して横方向の前記電極の長さは前記流体の流れの方向に対して平行な前記電極の幅よりも大きく、前記電極の前記幅は、前記所望の流体の流れの方向と前記長さとの両方に対して横方向の前記電極の高さの少なくとも10倍である、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
A first number of corona electrodes having respective ionized edges;
A second number of acceleration electrodes spaced apart and having respective edges substantially parallel to adjacent edges of the ionization edges of the corona electrode;
A power source connected to supply an operating voltage to the corona electrode and the acceleration electrode in order to generate a high-intensity electric field in the space between the corona electrode and the acceleration electrode,
The accelerating electrodes are made of a high electrical resistance material, each of the electrodes having length and height dimensions perpendicular to each other oriented transverse to the desired fluid flow direction; A width dimension oriented parallel to a desired fluid flow direction, and the length of the electrode transverse to the desired fluid flow direction is relative to the fluid flow direction. Greater than the width of the electrodes parallel to each other, the width of the electrodes being at least 10 times the height of the electrodes transverse to both the desired fluid flow direction and the length, Electrostatic fluid accelerator.
いくつかのコロナ電極を含み、各々は所望の流体の流れの方向に細長い薄いプレート状の形状を含み、前記静電流体加速器はさらに、
コロナ電極から間隔をあけて配置されたいくつかの加速電極を含み、前記加速電極の各々は所望の流体の流れの方向に細長い薄いプレート状の形状を含み、前記加速電極の各々は前記コロナ電極のうち透視的に最も近いコロナ電極に実質的に平行であり、前記コロナ電極は、加速電極のうち隣接する加速電極間に位置決めされ、前記静電流体加速器はさらに、
電極間の空間において電界を発生させるよう前記コロナ電極および前記加速電極に接続されて、前記所望の流体の流れの前記方向に前記電極間の空間における流体を加速させる電源を含む、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
Comprising a number of corona electrodes, each comprising a thin plate-like shape elongated in the direction of the desired fluid flow, the electrostatic fluid accelerator further comprising:
Including a number of accelerating electrodes spaced from a corona electrode, each of the accelerating electrodes including a thin plate-like shape elongated in the direction of the desired fluid flow, each of the accelerating electrodes being the corona electrode Is substantially parallel to the perspectively closest corona electrode, the corona electrode being positioned between adjacent acceleration electrodes of the acceleration electrode, and the electrostatic fluid accelerator further comprising:
An electrostatic fluid accelerator connected to the corona electrode and the acceleration electrode to generate an electric field in the space between the electrodes and accelerating the fluid in the space between the electrodes in the direction of the desired fluid flow .
前記導電性流体を補充するための、前記容器の各々に接続される流体供給部とを含む、請求項90に記載の静電流体加速器。 Each of the corona electrodes is a container for a conductive fluid containing means;
95. The electrostatic fluid accelerator of claim 90, comprising a fluid supply connected to each of the containers for replenishing the conductive fluid.
特定の出力電圧および電流で高電圧電力を供給する高電圧電源を含み、前記電圧および電流の波形は各々、直流成分および交流成分を含み、前記静電流体加速器はさらに、
電極の複数の段を含む静電流体加速器ユニットを含み、電極の前記段の各々は、少なくとも1つのコロナ放電電極と少なくとも1つの相補的な電極とを含み、電極の前記段はそこを通る流体を連続的に加速するようタンデムに配置され、前記段のうちの異なる段の前記電極は、前記出力電圧の前記交流成分の実質的に同一の波形を有する前記高電圧電力を受取るよう前記高電圧電源に接続され、電極の前記段のうち少なくとも1つは、
(i) それぞれのイオン化縁を有する第1の数のコロナ電極と、
(ii) 間隔をあけて配置され、前記コロナ電極の前記イオン化縁のうち隣接する縁に
実質的に平行なそれぞれの縁を有する第2の数の加速電極とを含み、
前記高電圧電源は、その電極間の空間に高い強度の電界を発生させるために、前記第1の数のコロナ電極および前記第2の数の加速電極に前記出力電圧を供給するよう接続され、
前記第2の数の加速電極は高電気抵抗材料でできており、前記第2の数の加速電極の各々は、所望の流体の流れの方向に対して横方向に方向付けられた相互に垂直な長さおよび高さの寸法と、前記所望の流体の流れの方向に対して平行に方向付けられた幅寸法とを有し、所望の流体の流れの方向に対して横方向の前記第2の数の加速電極の各々の長さは、前記流体の流れの方向に対して平行な前記第2の数の加速電極のうち対応する電極の幅よりも大きく、前記第2の数の加速電極の前記幅は、前記所望の流体の流れの方向と前記長さとの両方に対して横方向の前記第2の数の加速電極の高さの少なくとも10倍である、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
A high voltage power supply that provides high voltage power at a specific output voltage and current, wherein the voltage and current waveforms each include a direct current component and an alternating current component, the electrostatic fluid accelerator further comprising:
An electrostatic fluid accelerator unit including a plurality of stages of electrodes, each of the stages of electrodes including at least one corona discharge electrode and at least one complementary electrode, the stages of electrodes passing therethrough The high voltage to receive the high voltage power having substantially the same waveform of the alternating current component of the output voltage. Connected to a power source, at least one of the stages of electrodes is
(I) a first number of corona electrodes having respective ionization edges;
(Ii) a second number of acceleration electrodes spaced apart and having respective edges substantially parallel to adjacent edges of the ionization edges of the corona electrode;
The high voltage power supply is connected to supply the output voltage to the first number of corona electrodes and the second number of acceleration electrodes to generate a high intensity electric field in a space between the electrodes;
The second number of accelerating electrodes are made of a high electrical resistance material, and each of the second number of accelerating electrodes is perpendicular to each other oriented transverse to the desired fluid flow direction. The second dimension transverse to the desired fluid flow direction and having a width dimension oriented parallel to the desired fluid flow direction. The length of each of the number of acceleration electrodes is greater than the width of the corresponding electrode among the second number of acceleration electrodes parallel to the fluid flow direction, and the second number of acceleration electrodes The width of the electrostatic fluid accelerator is at least 10 times the height of the second number of acceleration electrodes transverse to both the desired fluid flow direction and the length.
特定の出力電圧および電流で高電圧電力を供給する高電圧電源を含み、前記電圧および電流の波形は各々、直流成分および交流成分を含み、前記静電流体加速器はさらに、
電極の複数の段を含む静電流体加速器ユニットを含み、電極の前記段の各々は少なくとも1つのコロナ放電電極と少なくとも1つの相補的な電極とを含み、電極の前記段は、そこを通る流体を連続的に加速するようタンデムに配置され、前記段のうちの異なる段の前記電極は、前記出力電圧の前記交流成分の実質的に同一の波形を有する前記高電圧電力を受取るよう前記高電圧電源に接続され、前記静電流体加速器はさらに、
前記静電流体加速器ユニットにおける1つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、
前記静電流体加速器ユニットにおけるスパーク前の状態を識別するために前記1つ以上の電磁パラメータに応答する第1の検出器と、
前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電源が前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第1の検出器に接続された第2の検出器とを含む、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
A high voltage power supply that provides high voltage power at a specific output voltage and current, wherein the voltage and current waveforms each include a direct current component and an alternating current component, the electrostatic fluid accelerator further comprising:
An electrostatic fluid accelerator unit including a plurality of stages of electrodes, each of the stages of electrodes including at least one corona discharge electrode and at least one complementary electrode, the stages of electrodes passing through the fluid; The high voltage to receive the high voltage power having substantially the same waveform of the alternating current component of the output voltage. Connected to a power source, the electrostatic fluid accelerator further comprising:
A sensor operable to monitor one or more electromagnetic parameters in the electrostatic fluid accelerator unit;
A first detector responsive to the one or more electromagnetic parameters to identify a pre-spark condition in the electrostatic fluid accelerator unit;
A second detector connected to the first detector to allow the high voltage power supply to quickly change the magnitude of the power to a desired level in response to the pre-spark condition; Including electrostatic fluid accelerator.
静電流体加速器ユニットを含み、前記静電流体加速器ユニットは、
(i) それぞれのイオン化縁を有する第1の数のコロナ電極と、
(ii) 間隔をあけて配置され、前記コロナ電極の前記イオン化縁のうち隣接する縁に実質的に平行なそれぞれの縁を有する第2の数の加速電極とを含み、前記静電流体加速器はさらに、
前記コロナ電極と前記加速電極との間の電極間の空間において高い強度の電界を発生させるために、前記コロナ電極および前記加速電極に動作電圧を供給するために含まれる前記静電流体加速器ユニットに接続された電源と、
前記静電流体加速器ユニットにおける1つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、
前記静電流体加速器ユニットにおけるスパーク前の状態を識別するために前記1つ以上の電磁パラメータに応答する第1の検出器と、
前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電源が前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第1の検出器に接続された第2の検出器とを含み、
前記加速電極は高電気抵抗材料でできており、前記電極の各々は、所望の流体の流れの方向に対して横方向に方向付けられた相互に垂直な長さおよび高さの寸法と、前記所望の流体の流れの方向に対して平行に方向付けられた幅寸法とを有し、所望の流体の流れの方向に対して横方向の前記電極の長さは、前記流体の流れの方向に対して平行な前記電極の幅よりも大きく、前記電極の前記幅は、前記所望の流体の流れの方向と前記長さとの両方
に対して横方向の前記電極の高さの少なくとも10倍である、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
An electrostatic fluid accelerator unit, the electrostatic fluid accelerator unit comprising:
(I) a first number of corona electrodes having respective ionization edges;
(Ii) a second number of acceleration electrodes spaced apart and having respective edges substantially parallel to adjacent ones of the ionization edges of the corona electrode, the electrostatic fluid accelerator comprising: further,
The electrostatic fluid accelerator unit included for supplying an operating voltage to the corona electrode and the acceleration electrode to generate a high-intensity electric field in a space between the electrodes between the corona electrode and the acceleration electrode. Connected power supply,
A sensor operable to monitor one or more electromagnetic parameters in the electrostatic fluid accelerator unit;
A first detector responsive to the one or more electromagnetic parameters to identify a pre-spark condition in the electrostatic fluid accelerator unit;
A second detector connected to the first detector to allow the high voltage power supply to quickly change the magnitude of the power to a desired level in response to the pre-spark condition; Including
The accelerating electrodes are made of a high electrical resistance material, each of the electrodes having length and height dimensions perpendicular to each other oriented transverse to the desired fluid flow direction; A width dimension oriented parallel to the direction of the desired fluid flow, and the length of the electrode transverse to the direction of the desired fluid flow is in the direction of the fluid flow. Greater than the width of the electrode parallel to the electrode, the width of the electrode being at least 10 times the height of the electrode transverse to both the desired fluid flow direction and the length. , Electrostatic fluid accelerator.
電極の複数の段を含む静電流体加速器ユニットを含み、電極の前記段の各々は、予め定められた範囲内の全電極間のキャパシタンスを供給するように少なくとも1つのコロナ放電電極と少なくとも1つの相補的な電極とを含み、電極の前記段は、そこを通る流体を連続的に加速するようタンデムに配置され、前記電極は、出力電圧の交流成分の実質的に同一の波形を有する電力信号を受取るよう接続され、前記静電流体加速器はさらに、
前記コロナ放電電極と前記相補的な電極との間にコロナ電流を流れさせるために、前記電極間に電圧を印加することによって前記電力信号を供給するよう前記静電流体加速器ユニットに接続される電源を含み、前記電圧および前記コロナ電流はともに、各々、互いの上に重畳されたそれぞれの直流成分および交流成分の合計であり、前記電圧の前記直流成分の振幅で除した前記電圧の前記交流成分の振幅の電圧比の値は、前記コロナ電流の前記直流成分の振幅で除した前記コロナ電流の前記交流成分の振幅のコロナ電流比の値よりもかなり小さい、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
An electrostatic fluid accelerator unit comprising a plurality of stages of electrodes, each of said stages of electrodes having at least one corona discharge electrode and at least one to provide capacitance between all electrodes within a predetermined range A power signal having substantially the same waveform of the alternating current component of the output voltage, wherein the stages of electrodes are arranged in tandem to continuously accelerate the fluid passing therethrough. The electrostatic fluid accelerator is further connected to receive
A power supply connected to the electrostatic fluid accelerator unit to supply the power signal by applying a voltage between the electrodes to cause a corona current to flow between the corona discharge electrode and the complementary electrode. The voltage and the corona current are each the sum of the respective DC and AC components superimposed on each other, and the AC component of the voltage divided by the amplitude of the DC component of the voltage The value of the voltage ratio of the amplitude of the electrostatic fluid accelerator is considerably smaller than the value of the corona current ratio of the amplitude of the AC component of the corona current divided by the amplitude of the DC component of the corona current.
コロナ放電装置を含み、前記コロナ放電装置は、
(i) それぞれのイオン化縁を有する第1の数のコロナ電極と、
(ii) 間隔をあけて配置され、かつ前記コロナ電極の前記イオン化縁のうち隣接する縁に実質的に平行なそれぞれの縁を有する第2の数の加速電極とを含み、前記加速電極は高電気抵抗材料でできており、前記加速電極の各々は、所望の流体の流れの方向に対して横方向に方向付けられた相互に垂直な長さおよび高さの寸法と、前記所望の流体の流れの方向に対して平行に方向付けられた幅寸法とを有し、所望の流体の流れの方向に対して横方向の前記加速電極の長さは、前記流体の流れの方向に対して平行な前記加速電極の幅よりも大きく、前記加速電極の前記幅は、前記所望の流体の流れの方向と前記長さとの両方に対して横方向の前記加速電極の高さの少なくとも10倍であり、前記静電流体加速器はさらに、
前記コロナ電極と前記加速電極との間にコロナ電流を流れさせるために、前記電極間に電圧を印加することによって電力信号を供給するよう前記コロナ電極と前記加速電極とに接続される電源を含み、前記電圧および前記コロナ電流はともに、各々、互いの上に重畳されたそれぞれの直流成分および交流成分の合計であり、前記電圧の前記直流成分の振幅で除した前記電圧の前記交流成分の振幅の電圧比の値は、前記コロナ電流の前記直流成分の振幅で除した前記コロナ電流の前記交流成分の振幅のコロナ電流比の値よりもかなり小さい、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
Including a corona discharge device, the corona discharge device,
(I) a first number of corona electrodes having respective ionization edges;
(Ii) a second number of acceleration electrodes spaced apart and having respective edges substantially parallel to adjacent edges of the ionization edges of the corona electrode, wherein the acceleration electrodes are high Each of the accelerating electrodes is made of an electrically resistive material and has dimensions of mutually perpendicular lengths and heights oriented transversely to the desired fluid flow direction, and the desired fluid flow rate. And the length of the acceleration electrode transverse to the desired fluid flow direction is parallel to the fluid flow direction. Greater than the width of the accelerating electrode, the width of the accelerating electrode being at least 10 times the height of the accelerating electrode transverse to both the desired fluid flow direction and the length. The electrostatic fluid accelerator further includes:
A power source connected to the corona electrode and the acceleration electrode to supply a power signal by applying a voltage between the electrodes to cause a corona current to flow between the corona electrode and the acceleration electrode. The voltage and the corona current are each the sum of the respective DC and AC components superimposed on each other, and the amplitude of the AC component of the voltage divided by the amplitude of the DC component of the voltage. The value of the voltage ratio of the electrostatic fluid accelerator is considerably smaller than the value of the corona current ratio of the amplitude of the AC component of the corona current divided by the amplitude of the DC component of the corona current.
特定の出力電圧および電流で高電圧電力を供給する高電圧電源を含み、前記電圧および前記電流の波形は各々、直流成分および交流成分を含み、前記静電流体加速器はさらに、
電極の複数の段を含む静電流体加速器ユニットを含み、電極の前記段の各々は、少なくとも1つのコロナ電極と少なくとも1つの相補的な電極とを含み、電極の前記段は、そこを通る流体を連続的に加速するようタンデムに配置され、前記電極は、前記出力電圧の前記交流成分の実質的に同一の波形を有する前記高電圧電力を受取るよう前記高電圧電源に接続され、前記段のうち少なくとも1つは、
(i) それぞれのイオン化縁を有する第1の数のコロナ電極と、
(ii) 間隔をあけて配置され、かつ前記第1の数のコロナ電極の前記イオン化縁のうち隣接する縁に実質的に平行なそれぞれの縁を有する第2の数の加速電極とを含み、前記加速電極は高電気抵抗材料でできており、前記加速電極の各々は、所望の流体の流れの方向に対して横方向に方向付けられた相互に垂直な長さおよび高さの寸法と、前記所望の流体の流れの方向に対して平行に方向付けられた幅寸法とを有し、所望の流体の流れの方向
に対して横方向の前記加速電極の長さは、前記流体の流れの方向に対して平行な前記加速電極の幅よりも大きく、前記加速電極の前記幅は、前記所望の流体の流れの方向と前記長さとの両方に対して横方向の前記加速電極の高さの少なくとも10倍である、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
A high voltage power supply that provides high voltage power at a specific output voltage and current, wherein the voltage and current waveforms each include a direct current component and an alternating current component, the electrostatic fluid accelerator further comprising:
An electrostatic fluid accelerator unit including a plurality of stages of electrodes, each of the stages of electrodes including at least one corona electrode and at least one complementary electrode, the stage of electrodes passing through the fluid; The electrode is connected to the high voltage power supply to receive the high voltage power having substantially the same waveform of the alternating current component of the output voltage, and At least one of them
(I) a first number of corona electrodes having respective ionization edges;
(Ii) a second number of accelerating electrodes spaced apart and having respective edges substantially parallel to adjacent edges of the ionizing edges of the first number of corona electrodes; The acceleration electrodes are made of a high electrical resistance material, each of the acceleration electrodes having mutually perpendicular length and height dimensions oriented transversely to the desired fluid flow direction; A width dimension oriented parallel to the direction of the desired fluid flow, the length of the acceleration electrode transverse to the direction of the desired fluid flow is Greater than the width of the acceleration electrode parallel to the direction, the width of the acceleration electrode being equal to the height of the acceleration electrode transverse to both the desired fluid flow direction and the length. Electrostatic fluid accelerator that is at least 10 times.
特定の出力電圧および電流で高電圧電力を供給する高電圧電源を含み、前記電圧および電流の波形は各々、直流成分および交流成分を含み、前記静電流体加速器はさらに、
電極の複数の段を含む静電流体加速器ユニットを含み、電極の前記段の各々は、少なくとも1つのコロナ電極と少なくとも1つの相補的な電極とを含み、電極の前記段は、そこを通る流体を連続的に加速するようタンデムに配置され、前記電極は、前記出力電圧の前記交流成分の実質的に同一の波形を有する前記高電圧電力を受取るよう前記高電圧電源に接続され、前記段のうち少なくとも1つは、
(i) それぞれのイオン化縁を有する第1の数のコロナ電極と、
(ii) 間隔をあけて配置され、かつ前記第1の数のコロナ電極の前記イオン化縁のうち隣接する縁に実質的に平行なそれぞれの縁を有する第2の数の加速電極とを含み、前記加速電極は高電気抵抗材料でできており、前記加速電極の各々は、所望の流体の流れの方向に対して横方向に方向付けられた相互に垂直な長さおよび高さの寸法と、前記所望の流体の流れの方向に対して平行に方向付けられた幅寸法とを有し、所望の流体の流れの方向に対して横方向の前記加速電極の長さは、前記流体の流れの方向に対して平行な前記加速電極の幅よりも大きく、前記加速電極の前記幅は、前記所望の流体の流れの方向と前記長さとの両方に対して横方向の前記加速電極の高さの少なくとも10倍であり、前記静電流体加速器はさらに、
前記静電流体加速器ユニットにおける1つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、
前記負荷におけるスパーク前の状態を識別するために前記1つ以上の電磁パラメータに応答する第1の検出器と、
前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電源が前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第1の検出器に接続される第2の検出器とを含み、
前記高電圧電源は、前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間にコロナ電流を流れさせるために、前記電極間に電圧を印加することによって電力信号を供給するよう前記コロナ電極と前記相補的な電極とに接続され、前記電圧および前記コロナ電流はともに、各々、互いの上に重畳されるそれぞれの直流成分および交流成分の合計であり、前記電圧の前記直流成分の振幅で除した前記電圧の前記交流成分の振幅の電圧比の値は、前記コロナ電流の前記直流成分の振幅で除した前記コロナ電流の前記交流成分の振幅のコロナ電流比の値よりもかなり小さい、静電流体加速器。 An electrostatic fluid accelerator,
A high voltage power supply that provides high voltage power at a specific output voltage and current, wherein the voltage and current waveforms each include a direct current component and an alternating current component, the electrostatic fluid accelerator further comprising:
An electrostatic fluid accelerator unit including a plurality of stages of electrodes, each of the stages of electrodes including at least one corona electrode and at least one complementary electrode, the stage of electrodes passing through the fluid; The electrode is connected to the high voltage power supply to receive the high voltage power having substantially the same waveform of the alternating current component of the output voltage, and At least one of them
(I) a first number of corona electrodes having respective ionization edges;
(Ii) a second number of accelerating electrodes spaced apart and having respective edges substantially parallel to adjacent edges of the ionizing edges of the first number of corona electrodes; The acceleration electrodes are made of a high electrical resistance material, each of the acceleration electrodes having mutually perpendicular length and height dimensions oriented transversely to the desired fluid flow direction; A width dimension oriented parallel to the direction of the desired fluid flow, the length of the acceleration electrode transverse to the direction of the desired fluid flow is Greater than the width of the acceleration electrode parallel to the direction, the width of the acceleration electrode being equal to the height of the acceleration electrode transverse to both the desired fluid flow direction and the length. At least 10 times, and the electrostatic fluid accelerator further comprises:
A sensor operable to monitor one or more electromagnetic parameters in the electrostatic fluid accelerator unit;
A first detector responsive to the one or more electromagnetic parameters to identify a pre-spark condition at the load;
A second detector connected to the first detector to enable the high voltage power supply to quickly change the magnitude of the power to a desired level in response to the pre-spark condition; Including
The high voltage power source is configured to supply a power signal by applying a voltage between the electrodes to cause a corona current to flow between the corona discharge electrode and the collector electrode. And the voltage and the corona current are each the sum of the respective DC and AC components superimposed on each other, and the voltage of the voltage divided by the amplitude of the DC component. The electrostatic fluid accelerator, wherein the value of the voltage ratio of the amplitude of the alternating current component is considerably smaller than the value of the corona current ratio of the amplitude of the alternating current component of the corona current divided by the amplitude of the direct current component of the corona current.
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