TWI575830B - 離子產生之方法與裝置 - Google Patents

Description

離子產生之方法與裝置 【相關申請案之交互參照】

本申請案為2011年8月15日申請之美國申請案第13/210,267號之部分接續申請案，該申請案為2008年3月16日申請並作為美國專利第8,009,405號發佈之美國申請案第12/049,350號之接續申請案，該申請案主張2007年3月17日申請之美國臨時申請案第60/918,512號之權利及優先權。

本申請案亦主張2012年1月6日申請之美國臨時申請案第61/584,173號之權利及優先權。

本申請案亦為2011年2月8日申請之美國申請案第13/023,397號之部分接續申請案。

申請案13/210,267、申請案12/049,350、申請案60/918,512、申請案61/584,173及申請案13/023,397在此以引用之方式併入本文中。

本發明係關於用於正靜電荷與負靜電荷之中和的AC電暈電離器。更確切而言，本發明係關於具有相對低的副產物排放(諸如，臭氧、氮氧化物及類似物)而實現低離子發射極污染率之AC電暈電離器。

AC電暈電離器常用於帶電物體之靜電荷中和。先前技術中已熟知，AC電暈電離器包括(例如)相對簡單之設計、高可靠性及低成本之特徵。這些特徵對於使用配置為一個或更多個線形細金屬線(wire)或尖銳電極之排的單個離子發射極之AC電離器尤其如此。然而，該等電離器傾向於相對高的臭氧排放及由於自周圍空氣收集碎片產生之較高電極污染率。電極污染降低電離效率且可能影響離子平衡。

因此，存在用於靜電荷中和之解決方案的需求，該解決方案具有相對低的發射極污染率、相對低的臭氧排放及/或所述之組合。

本發明之一個實施例提供空氣/氣體電離裝置及方法，該裝置及方法產生正離子及負離子二者以減少各種物體上之靜電荷。本發明之實施例可實現以下可能的優點中之一或多個優點：(1)提供足夠位準之正離子電流與負離子電流，同時限制臭氧及其他電暈副產物之排放；(2)減少發射極尖端(point)或線電極上之粒子之積累並最小化與電暈放電粒子排放相關聯之污染，其中該排放係發生自電離棒；(3)自動地維持一非常接近(reasonably close to)零之離子流平衡；及/或(4)提供低成本電源及低維護離子產生系統之設 計。

在本發明之一個特定的實施例中，施加至尖端或線電極之高電壓被設計為具有極低功率及高電離效率。此乃藉由在極低率下使用極強、微秒寬的脈波而完成。返馳型(flyback)發生器自然地在諧振電路中產生此類波。每一波包括至少三個電壓峰值：期初低振幅峰值、極性相反之第二高振幅峰值及最終低振幅峰值(波)。典型地，僅將高位準波用於電離。第一波及第三波可藉由適當的阻尼極大地減少振幅，如隨後之說明。使用此低功率減少了臭氧產生、電暈副產物生產、粒子之聚集與分散、以及發射極之磨損。

在本發明之又一個特定實施例中，電離方法包括：提供脈波持續時間，該脈波持續時間相對短，以致經施加之功率足夠(或充足)用於電暈放電以產生正離子與負離子，但不足夠(不充足)以產生臭氧與氮氧化物、侵蝕發射極及/或自周圍空氣吸引粒子。

在本發明之又一個特定實施例中，電離方法可視情況地包括：提供電壓的同步施加至線形金屬線或線形發射極之組以便減少尖端之間的常見離子密度變化效應，並允許沿著離子發射極結構之長之均勻離子平衡分佈。在本發明之另一個實施例中，可省略此可選的方法。

在另一個實施例中，提供一種用於在分離發射極與參考電極之空間內產生離子之方法，該方法包含：依據目標與發射極之距離，產生可變數目之小型銳脈波且該等脈波之脈波率。

在本發明之又一個實施例中，提供用於在分離發射極與參考電極之空間內產生離子之裝置及方法，該裝置及方法包括：提供至少一個脈波列至發射極；脈波列對包括依次交替之正脈波列及負脈波列；正脈波列包括正相期間之第一複數個電離正電壓脈波及電離頻率相期間之第二複數個電離正電壓脈波，該電離頻率相出現於該正相之後；且負脈波列包括電離頻率相期間之第一複數個電離負電壓脈波及負相期間之第二複數個電離負電壓脈波，該負相出現於該電離頻率相之後；其中第一複數個電離正電壓脈波中之每一者具有大於第二複數個電離正電壓脈波中之每一者的量值之量值；且其中第一複數個電離負電壓波形中之每一者具有大於第二複數個電離負電壓脈波中之每一者的量值之量值。

2‧‧‧插腳

3‧‧‧插腳

6‧‧‧插腳

7‧‧‧插腳

10‧‧‧插腳

13‧‧‧插腳

18‧‧‧脈波列對

30‧‧‧正脈波列

32‧‧‧負脈波列

44‧‧‧正電暈閾值電壓

46‧‧‧負電暈閾值電壓

48

105‧‧‧脈波列

105a‧‧‧正脈波列

105b‧‧‧負脈波列

106‧‧‧電離正電壓脈波

107‧‧‧電離正電壓脈波

108‧‧‧電離負電壓脈波

109‧‧‧電離負電壓脈波

110‧‧‧波形/發射極信號

115‧‧‧時間週期/正相

120‧‧‧時間週期/電離頻率相

125‧‧‧時間週期/負相

130‧‧‧正電離脈波與負電離脈波

135‧‧‧上部虛線

140‧‧‧下部虛線

142‧‧‧電離脈波

144‧‧‧電離脈波

146‧‧‧負振盪與正振盪

148‧‧‧非電離脈波

150‧‧‧非電離脈波

151‧‧‧電壓脈波

152‧‧‧電壓脈波

153‧‧‧電壓脈波

154‧‧‧電壓脈波

155‧‧‧電壓脈波

300‧‧‧類比/邏輯基底

305‧‧‧發射極

306‧‧‧功率源

310‧‧‧氣體源

315‧‧‧計時器晶片

317‧‧‧脈波驅動電路/電源

320‧‧‧雙重延遲邏輯晶片/梯形振盪器

325‧‧‧加法器邏輯晶片/延遲元件

330‧‧‧電晶體

335‧‧‧電晶體

340‧‧‧交換電路/及閘

345‧‧‧變壓器

346‧‧‧電容

347‧‧‧電阻

350‧‧‧固定電容

351‧‧‧信號

352‧‧‧電阻

354‧‧‧可變電阻

356‧‧‧比較器

358‧‧‧比較器

359‧‧‧比較器

360‧‧‧主繞組線圈

362‧‧‧次級繞組

363‧‧‧主阻尼電路

364‧‧‧電容

365‧‧‧阻尼電路電阻

367‧‧‧電感

368‧‧‧分路電阻

400‧‧‧微控制器

402a‧‧‧脈波列

402b‧‧‧脈波列

405‧‧‧脈波驅動器

410‧‧‧信號

415‧‧‧信號

420‧‧‧火花偵測器

425‧‧‧斷線偵測器

505‧‧‧正脈波

506a‧‧‧正電暈閾值

506b‧‧‧負電暈閾值

510‧‧‧負脈波

515a‧‧‧正脈波列

515b‧‧‧負脈波列

520

525‧‧‧微脈波週期

529‧‧‧脈波振幅

530‧‧‧脈波寬度

535‧‧‧脈波寬度

540‧‧‧重複序列

541‧‧‧正脈波

542‧‧‧重複序列

543‧‧‧負脈波

544‧‧‧延遲

550‧‧‧停頓時間區域

551‧‧‧工作時間區域

552‧‧‧工作時間區域

553‧‧‧工作時間區域

554‧‧‧方塊

555‧‧‧方塊

556‧‧‧方塊

557‧‧‧方塊

558‧‧‧方塊

559‧‧‧方塊

560‧‧‧方塊

561‧‧‧方塊

562‧‧‧方塊

563‧‧‧方塊

564‧‧‧方塊

565‧‧‧方塊

566‧‧‧方塊

567‧‧‧方塊

568‧‧‧方塊

569‧‧‧方塊

570‧‧‧方塊

571‧‧‧方塊

572‧‧‧方塊

573‧‧‧方塊

574‧‧‧方法

575‧‧‧表格

602‧‧‧電壓波形

605‧‧‧棒剖面圖

705‧‧‧虛線

801‧‧‧線電極

802‧‧‧彈簧

803‧‧‧參考電極

804‧‧‧氣孔

V⁺‧‧‧電壓源

第1圖根據本發明之實施例，圖示正與負電離脈波及脈波列之電壓波形。

第2圖根據本發明之實施例，圖示在即時域中具有正與負電離脈波的例示性序列之電壓波形的示波器螢幕擷取畫面。

第3a圖圖示用於具有一個金屬線型發射極電極之電離棒的本發明之一個類比/邏輯基底實施例的示意圖。

第3b圖將波形圖圖示為第3a圖中之各種組件的各種輸入。

第4a圖與第4b圖為本發明之基於微控制器的實施例之方塊圖。

第5a圖、第5b圖與第5c圖根據本發明之實施例，圖示用以針對不同電荷中和條件來最佳化高電壓波形(脈波列)之三種不同模式下的多脈波。

第5d圖為根據本發明之實施例的藉由軟體執行的方法之流程圖，該軟體由第4a圖與第4b圖之控制器執行。

第5e圖為顯示根據本發明之實施例的多脈波可設定參數及相應的定義與例示性參數範圍值之表格。

第5f圖、第5g圖與第5h圖根據本發明之實施例，圖示基於與第5a圖、第5b圖及第5c圖不同的設置之三種不同模式下的多脈波。

第6圖將本發明之另一實施例的示意圖圖示為具有兩個(金屬線型或尖端型)發射極電極之雙相電離棒。

第7圖根據本發明之實施例，圖示用於線形棒之自平衡電離結構之變體。

第8圖根據本發明之實施例，圖示具有金屬線發射極與空氣輔助離子遞送系統的線形棒之概視圖。

在以下詳細描述中，為了說明之目的，闡明了多個特定細節以提供對本發明之各種實施例之透徹理解。本領域之通常技術者將認識到，本發明之該等各種實施例僅為說明性的且並非意欲以任何方式作為限制。對於得益於本文所揭示的之本領域技術者，本發明之其他實施例將淺顯易懂。

本發明之實施例可應用於數個類型之空氣-氣體(air-gas)電離器，該等空氣-氣體電離器配置為電離棒、增壓 器或直列式電離器件。

此項技術中已熟知脈波式電離器。舉例而言，專利申請公開案JP2008124035、專利申請公開案US 20060151465及專利申請公開案US 20090116828描述AC電離棒。美國專利第8,009,405號揭示電離增壓器之設計，該電離增壓器具有週期性地產生正脈波與負脈波之脈衝之高電壓電源。

該等電源包括正DC高電壓源與負DC高電壓源及連接至離子發射結構之求和塊(summing block)。藉由獨立地接通或斷開每一高電壓源產生低頻率脈波(在大約0.1Hz至100Hz之範圍中)。然而，該等AC脈波電離系統複雜、具有低效率，且易於在離子發射結構上累積粒子。

本發明之一個實施例之一個主要特徵為使用不對稱為主的(在正電壓或負電壓之量值中)短持續時間雙極電離脈波之群組。正脈波與負脈波之列(亦即，脈波群組)施加至線形發射極或發射極之群組。

該些短持續時間脈波(呈不對稱波形)形成高電壓梯度，該高電壓梯度減少發射極處之離子重組，這又反過來提高發射極電離效率，因此允許使用相對低或極其低的功率消耗方法來產生高濃度正離子與負離子。

在本發明之一個實施例中，藉由脈波列週期性地產生正離子雲與負離子雲，該些脈波列具有可變的脈波數目(對於每一脈波持續時間而言)、序列脈波持續時間及電壓振幅。電壓波形之數目可藉由小型高壓變壓器產生，該小型高 壓變壓器具有由低電壓脈波產生器控制之主繞組與形成諧振電路之次級繞組，該諧振電路包括棒之離子發射極與參考電極。

第1圖根據本發明之實施例，圖示正電離脈波與負電離脈波之電壓波形及脈波列。低電壓脈波105a與低電壓脈波105b(用於控制高電壓變壓器之輸入)圖示於第1圖中之頂部部分中。每一電離脈波(例如，正脈波)可包括一連串三種不同的電壓波組成部分。輸出脈波以具有低於電暈放電閾值的振幅之負電壓波開始(見第1圖之底部部分中之波形110)。此週期之持續時間在幾微秒或奈秒之範圍內。

如第1圖所示，脈波列105經設置以包括正脈波列105a與負脈波列105b，其中脈波列105a與脈波列105b依序交替。脈波列105經提供至發射極。第1圖亦圖示自脈波列105生成之有效的發射極信號110。

正脈波列105a包括以下各者：在時間週期115(正相115)期間具有週期Tupulse_rep及脈波寬度Tp的複數個電離正電壓脈波106；在時間週期120(電離頻率相120)期間具有週期Tupulse_rep及脈波寬度To(其中To小於Tp)之複數個電離正電壓脈波107，該時間週期120(電離頻率相120)出現於該正相115之後；及在時間週期125(負相125)期間之零值，該時間週期125(負相125)出現於該電離頻率相120之後。

負脈波列105b包括以下各者：在時間週期115(正相115)期間之零值；在電離頻率相120期間具有週期 Tupulse_rep與脈波寬度To(其中To小於Tp)之複數個電離負電壓脈波108，且其中脈波107與脈波108彼此補償且不同時地產生；在時間週期125(負相125)期間具有週期Tupulse_rep與脈波寬度Tn之複數個電離負電壓脈波109，其中Tp與Tn在時間量值上可相等或可不相等。

該等電離正電壓脈波與電離負電壓脈波交替地形成橫越電離器之發射極與參考電極之電壓梯度並藉由電暈放電產生包括正離子與負離子之離子雲。如下面進一步論述，在電離頻率相120期間之正電離電壓脈波107與負電離電壓脈波108導致了具有小量值交替脈波130之有效的發射極信號110。

如針對時間週期115所示，波形110包括高正電壓波，該高正電壓波對於給定的離子發射結構，具有高於正電暈閾值之振幅。在彼時間週期內，離子發射極在離子發射極與非電離(或參考)電極之間的間隙中產生正離子。離子發射極與非電離電極之間的此間隙圖示於(例如)前文引用之美國專利申請案第13/210,267號之第6圖中。自離子發射極靜電排斥正離子雲且將正離子雲移動(或很可能為吹動)至參考電極。

在時間週期125期間，負電壓具有顯著地低於電暈放電所需之振幅的振幅。此電壓形成靜電場，該靜電場使正離子之運動減速並減少對於參考電極之離子損失。負電壓之振幅可藉由HVPS(高電壓電源)電路系統中之阻尼特徵結構調整。

正電離脈波之後為高振幅負脈波(亦圖示於第1圖中)，該高振幅負脈波在短時間週期期間以與先前論述相同之方式產生負離子雲。電離脈波之重複率可在每秒一至數千個脈波之範圍內。

有效的發射極信號110包括電離脈波142與電離脈波144，其中脈波142與脈波144之後可為較小的負振盪與正振盪146。負振盪與正振盪146歸因於用於產生信號110的電源之電路諧振且並非意欲以任何方式限制本發明。可藉由(例如)如揭示於(例如)美國申請案第13/023,387號中之阻尼電路的使用以實質上減少或完全消除振盪146。

非電離脈波148與非電離脈波150具有極性(負的)，該極性與電離脈波142及電離脈波144之極性(正的)相反。

第1圖亦同時圖示(在時間週期115與時間週期125之間的中間時間週期120中)正電離脈波與負電離脈波130之群組。上部虛線135顯示正電暈閾值電壓，例如，一般大約在4.0kV至5.0kV之範圍中；且下部虛線140顯示負電暈閾值電壓，例如，大約在3.75kV至4.50kV之範圍中。超過負電暈閾值電壓之脈波產生負離子，且超過正電暈閾值電壓之脈波產生正離子。

已發現用於靜電荷中和之解決方案以提供充分電離，該充分電離以臭氧產生與發射極表面上減少的污染聚集，該解決方案在微秒範圍中使用少數、短的、較高電壓脈波151、152、153、154及155。

脈波列經配置以提供交替的正電壓波形與負電壓波形，其中每一脈波包括第一非電離電壓位準、第二電離電壓位準、第三非電離電壓位準及歸因於電路諧振之不顯著的進一步振盪。類比或邏輯型交換電路(見第3圖)提供一系列交替的正電離脈波與負電離脈波。

在鐵氧體磁心變壓器中應用(藉由返馳型產生器所產生之)高電壓之返馳型產生，提供了簡單有效且便宜的電離器高電壓電源，該電離器高電壓電源可使用對於正電離脈波與負電離脈波具有適度的匝比且無需電壓乘法器電路之極小的變壓器(例如，約1" x 1" x 1")。使用(磁心半部之間具有小間隙的)鐵氧體磁心及適當的電壓振盪阻尼減少磁心磁記憶效應，從而允許使用一個或另一個極性脈波之多個電離脈波序列。

因此，電離正脈波與電離負脈波之列(序列或群組)為至少一個發射極電極提供充分的雙極電離，該發射極電極具有在大約100mm至2000mm或更大之範圍內之長度。

為了達到最佳物體中和放電時間，可依據氣流及至帶電目標之距離，調整一個極性的脈波之數目。交替的極性離子之濃度足以用於用以中和位在達大約1000mm或更遠距離處之移動目標之電離棒。

第2圖根據本發明之實施例，在即時域中圖示具有例示性序列正電離脈波及例示性序列負電離脈波之電壓波形的示波器螢幕擷取畫面；如第2圖中所見，脈波列對18包括以串行順序交替之正脈波列30與負脈波列32。上部虛線 44表示正電暈閾值電壓(例如，4.5kV)，且下部虛線46表示負電暈閾值電壓(例如，-4.25kV)。在即時域中顯示了正電暈閾值電壓位準44與負電暈閾值電壓位準46。每一正脈波列30經設置以包括電離正電壓波形，該電離正電壓波形具有一最大正電壓振幅，該最大正電壓振幅超過用於藉由電暈放電形成正離子的電壓閾值。相似地，負脈波列32經設置以包括電離負電壓波形，該電離負電壓波形具有一最大負電壓振幅，該最大負電壓振幅超過用於藉由電暈放電形成負離子的電壓閾值。因此，該等各別的正電離電壓波形與負電離電壓波形交替地形成橫越發射極與參考電極之間的空間之電壓梯度，從而藉由電暈放電產生包括正離子與負離子之離子雲。

可依據所需之電離功率位準與移動目標之速度調整脈波重複率。此螢幕擷取畫面表明，高電壓電源「接通」相對於高電壓電源「切斷」之有效比率可為約0.0015或更小。這就是為什麼根據揭示於本發明之實施例中之電離方法，電暈放電通常僅存在於微小的時間部份(少於約0.1%)，該微小的時間部分為離子產生所必需，卻少於臭氧排放以及將粒子吸引至離子發射極所需之時間。

關於一個金屬線型電離系統(或電離單元)之實驗顯示了，具有微電離脈波之電壓波形在大約相等的電荷中和效率下提供了3到5倍的臭氧排放減少。舉例而言，類似於在美國申請公開案2008/0232021中所描述的電離器，其由AC高頻率電源供電而產生約50ppb(十億分之一)或更高之臭氧濃度，相較之下根據本發明之實施例之相同電離器則產生大 約10ppb至15ppb之臭氧濃度，。

第3a圖圖示用於具有一個金屬線型發射極電極305的電離棒之本發明的類比/邏輯基底300之一個實施例的示意圖。此外，第3b圖將波形圖圖示為第3a圖中之各種組件的各種輸入。氣體源310經設置以提供氣體流並經電性耦接至電壓源V+。藉由發射極305接收脈波列105(由如第1圖中所示之正脈波列105a與負脈波列105b形成)。

功率源306可為類比/邏輯基底300之部分或可為提供功率至基底300中組件之分離組件。為了圖式之明確性的目的，在第3a圖中省略參考節點(諸如接地)。第3a圖中之組件(例如，諸如電阻、電感及電容之被動元件)之數值並非意欲以任何方式限制本發明之實施例。

在類比/邏輯基底300之電路操作中，計時器晶片(U3)315提供短脈波給脈波驅動電路317(或電源317)，該脈波驅動電路317(或電源317)由雙重延遲邏輯晶片(Dual Delay logic chip；U1)320、加法器邏輯晶片(U2)325、電晶體(Q1)330與電晶體(Q2)335，及交換電路340形成。電晶體330與電晶體335可為(例如)MOSFET。然而，MOSFET(例如，n-通道MOSFET或其他MOSFET型電晶體)之使用並非意欲以任何方式限制本發明之實施例。

來自高電壓輸出變壓器345之高電壓脈波之時序首先依據由梯形振盪器(U1)320產生之時脈信號。該梯形振盪器(U1)320之振盪頻率決定了自正脈波產生至負脈波產生之交替切換，該振盪頻率稱為操作頻率。藉由固定電容 (C1)346與可調整的電阻(R1)347確定該頻率。普遍使用大約0.2至60赫茲之頻率範圍，其中低頻率用於一定距離處之目標而較高頻率用於近距離處之目標。

將來自振盪器(U1)320之輸出信號饋送至延遲元件(U2)325，該延遲元件(U2)325以該頻率之一半產生反相信號。隨後將來自元件(U2)325之輸出饋送至及閘(U4)340，該及閘(U4)340用於翻轉電晶體330與電晶體335(例如，MOSFET驅動電晶體(Q1)330與MOSFET驅動電晶體(Q2)335)之可能的激活。

主要激活脈波由計時器元件(U3)315產生。將來自輸出插腳3(計時器元件315的)之反饋(信號351)回饋至計時器元件315之觸發器插腳2與閾值插腳6。此舉允許在輸出插腳3處產生極短正脈波。脈波寬度由固定電容(C2)350與可變電阻(R3)352控制。依據返馳型輸出驅動器317之設計，將脈波寬度大體上調整至大約2微秒至24微秒。脈波之重複率由固定電容(C2)350與可變電阻(R4)354決定。重複率等於脈波週期之倒數。此脈波重複率之範圍可為自大約20赫茲至1000赫茲且因此決定高電壓產生器之功率輸出而該脈波重複率典型地大約250赫茲。

交互地，及閘(U4)340將正反器信號與來自晶片(U3)315之微秒寬脈波混合且從而施加激活脈波至驅動電晶體(Q1)330與驅動電晶體(Q2)335之閘極。

來自插腳7(晶片(U1)320之比較器356的)之一個輸出相用於停止晶片(U3)315中之振盪，因此中斷 來自晶片(U3)315之插腳3的輸出脈波。此中斷可用於提供正電離與負電離之間的斷開時間(off-time)。此中斷有時用於減少遠目標距離之離子雲重組，或僅僅減少功率輸出。藉由分別施加至插腳10與插腳13(分別為，晶片(U1)320中之比較器358與比較器359的)之偏壓以調整斷開時間或失效時間(dead-time)。

藉由以下操作達成微脈波之形成。舉例而言，至MOSFET(Q2)335之閘極的短正脈波(在微秒範圍內)致使電流在高電壓變壓器345主繞組線圈(2，3)360中流動，這首先產生橫越主繞組線圈360之小型負電壓脈波。在負電壓脈波之末端處，產生了大型正返馳型電壓脈波，連同肇因於電路諧振之小型負振盪與正振盪。

或者，至MOSFET(Q1)330的閘極之短脈波產生大型負脈波。藉由使用大的匝比以變壓器345次級繞組362放大及相位反轉該等脈波電壓，該匝比可大約為約50至500比1。因此，MOSFET(Q2)335激發負高電壓脈波而MOSFET(Q1)330激發正高電壓脈波。該等脈波藉由相同的金屬線發射極或尖銳發射極產生正離子與負離子。

正極性與負極性二者的脈波電壓振幅由以下參數決定：1.變壓器(T1)345繞組匝比；2.變壓器主線圈360電感；3.驅動至電晶體330與電晶體335的閘極內之MOSFET閘極脈波之持續時間； 4.如見於電容364處之輸入DC電壓，該電容364為電解濾波器；5.由阻尼電路電阻365(例如，電阻為2歐姆)、電感367(例如，電感為22uH)及橫越主線圈360之分路電阻(Rp)368形成之主阻尼電路363；6.串聯的電晶體330與電晶體335(例如，MOSFET(Q1)330與(Q2)335)之阻抗；及7.電離組件之電容負載(如在變壓器次級繞組362之輸出端處所量測)。

來自變壓器(T1)345之高電壓輸出脈波具有波形狀，該波形狀由主繞組360之電感及阻尼電路363之次級阻尼組件及主阻尼組件上之電容負載設定。置放於變壓器中心分接頭2與功率輸入端(Vin)之間的分路電阻(Rs)365與電感(Ls)367防止變壓器345中電流急遽的上升時間，因此降低波形110(第1圖)之第一部分(第1圖中之部分115)的峰值。藉由分路電阻(Rs)365減少波形110之第三部分125(第1圖)。該等組件之選定的或仔細的調整將產生超越波形110之第二部分120(第1圖)的高峰位準之要求的最大電離效率。

再次參考第2圖，此處可見產生的脈波之高轉換速率。對於主線圈360，電壓上升速率為約270V/μs且下降速率為約1800V/μs。對於次級線圈362，轉換速率可升至約35(+/- 8)kV/μs。不對稱的正脈波與負脈波可藉由驅動電路317連續地產生，該驅動電路317使用僅一個小功率高電壓變 壓器345而無任何倍增器、整流器及求和塊。

亦應注意，可依據中和目標之電荷密度與速度調整脈波重複率。為了聚焦於本發明之實施例，不進一步論述相關領域的技術人員已知的關於信號傳輸(例如，電流信號或電壓信號)之其他細節。在以上引用的參考文獻中之額外細節中已論述產生於AC電暈電離器之各種標準信號傳輸。藉由所有組件之電阻、電容及電感(分別為R、C、L)值固定波形狀。可藉由改變脈波持續時間調整脈波高度，該脈波持續時間在第3圖中藉由與元件(U3)315相關聯之電阻(R3)352與電容(C2)350而設定。

第4a圖與第4b圖為本發明以微控制器為基礎的實施例之方塊圖。如第4a圖中所示，脈波驅動電路包括用於控制電晶體330的切換之微控制器400(或其他處理器或控制器400)。在軟體控制之情況下，微控制器400產生窄的軟體調整的脈波，該等窄的軟體調整的脈波典型地為大約19微秒寬，其中該微控制器400產生一個脈波列402a為正電離脈波而一個脈波列402b為負電離脈波。自微控制器400，將該些脈波施加至一組脈波驅動器405(第4b圖)，該組脈波驅動器405以一適合的量值放大該些脈波以驅動切換電晶體330與切換電晶體335(第3a圖)，該些切換電晶體可為(例如)高功率MOSFET。如上所論述，該等MOSFET隨後驅動高電壓脈波變壓器345。

作為在本發明之其他實施例中可省略之選項，微控制器400亦可分別自火花偵測器420與斷絲偵測器(broken wire detector)425接收信號410與信號415。在本文中圖示於第3a圖與第4a圖及/或其他圖式/繪圖中的實施例之任一者中，脈波持續時間可能短，以致施加的功率足以用於電暈放電以產生正離子與負離子，但不足以產生臭氧與氮氧化物、侵蝕發射極及自周圍空氣吸引粒子。在本文中圖示於第3a圖與第4a圖及/或其他圖式/繪圖中的實施例之任一者中，該電離器以極慢的速率(諸如，約250赫茲(或更少)，而非一般大約50,000至70,000赫茲)提供超過電離閾值的至少約1000伏特之強(或相對強)電離脈波，因此以低臭氧產生離子。

根據本發明之實施例，第5a圖、第5b圖與第5c圖圖示用以針對不同電荷中和條件最佳化高電壓波形(脈波列)之三種不同模式下的多脈波，且第5d圖圖示藉由軟體執行之方法，該軟體由微控制器400執行。模式A、模式B及模式A+B取決於電荷中和需求，諸如，正電荷及負電荷之放電時間、可接受的電壓擺動(電場效應)以及至目標之距離。微控制器400執行軟體，該軟體可提供三種(3)模式之電離脈波：模式A、模式B及模式A+B，如實施本發明實施例之應用所要求。

模式A：如第5a圖中所示，模式A由一重複序列之交錯的正脈波與負脈波定義。每一正脈波505(超過正電暈閾值506a)之後為負脈波510(超過負電暈閾值506b)，且每一負脈波510接著之後則為正脈波505。正脈波列515a與負脈波列515b係以交替的正電壓脈波與負電壓脈波來圖示。此模式典型地用於極近目標距離(例如，約200mm或更近)， 在那裡電離場電壓需要是小的。

在模式A中，脈波振幅529、微脈波週期525及正微脈波505與負微脈波510之脈波寬度530與535藉著微控制器400所執行之軟體，為可個別調整的。藉由方塊563(第5d圖)中該載入脈波MP_P值的計時器/計數器來調整正微脈波振幅與正微脈波持續時間。藉由方塊566(第5d圖)中該載入脈波MP_N來調整負微脈波振幅與負微脈波持續時間。藉由方塊551(第5d圖)中該以reprate值載入Reprate計時器/計數器來調整正微脈波與負微脈波之週期。

模式B：如第5b圖中所示，B模式由以下定義：一正脈波541的重複序列540，該重複序列540隨後為一負脈波543的重複序列542，該重複序列542隨後為一正脈波541的重複序列540，以此類推，如附圖中所示。在該些脈波的正序列540與負序列542之間中，可添加小延遲544(斷開時間)來減少離子重組。斷開時間為沒有電離脈波形成之時間。此模式典型地用於極遠(500mm及以上)目標距離。方塊568(第5d圖)中的MP_N值之數目用於設定沒有脈波產生之斷開時間延遲值544(第5b圖)，其中該數目載入至方塊554中。藉由方塊556(第5d圖)中該以Tpmax值載入脈波計時器/計數器來調整正電離脈波寬度。藉由方塊551(第5d圖)中該以reprate值載入reprate計時器/計數器來調整正電離脈波週期。藉由方塊560(第5d圖)中該以Tnmax值載入脈波計時器/計數器的步驟來調整負電離脈波寬度。藉由方塊551(第5d圖)中該以reprate值載入reprate計時器/計數器的步 驟來調整負電離脈波週期。

模式A+B：如第5c圖中所示，模式A+B為模式A與模式B之組合；在模式A+B中，模式A發生於斷開時間區域(時間)550中，且模式B發生於供電時間(On Time)區域(時間)551與工作時間區域(時間)552中。此模式典型地用於中等距離(200mm至500mm)目標，其中於該中等距離目標，電離場的電壓需要保持低下但該目標距離會依據程序而改變。在方塊554中調整供電時間區域551與供電時間區域552。藉由決定此區域寬度的脈波MP_P與脈波MP_N之數目調整斷開時間區域550(亦即，設定於方塊554中)。由方塊563調整正微脈波寬度。由方塊566調整負微脈波寬度。由方塊560決定負電離脈波寬度。由方塊551決定負脈波重複率。第5d圖圖示描述方法574之其他功能的各種方塊550-573，該方法574由藉由微控制器400執行的軟體執行。第5e圖為一表格575，根據本發明之實施例，該表格575顯示多脈波可設定參數與相應的定義及例示性參數範圍值。根據本發明之實施例，第5f圖、第5g圖與第5h圖亦圖示基於與第5a圖、第5b圖與第5c圖不同設置之三種不同模式下的多脈波。

在所有三種(3)模式中，使用者可藉由以下方式改變離子平衡：(1)改變正的或負的或兩者的脈波寬度，並獨立於斷開時間區域(MP_P，MP_N)控制工作時間區域(Tpmax與Tnmax)中之電離量；及(2)改變正供電時間區域對負供電時間區域之間的時間比。脈波之間的時間 (Treprate)在所有區域中相同且為可調整的以至於能夠控制電離功率之量。高功率產生於Treprate為小的情況下且更經常形成電離脈波，從而導致更多的電離。另一方面，較大的Treprate較少形成電離脈波，從而導致較少電離。

因此，本發明之實施例提供電離之方法及相關的示意圖(裝置)。此實施例產生極短雙極微脈波且以慣常的發射極在標準大氣壓下形成高效雙極空氣(或其他氣體)電離。

在第8圖中所示之實施例中，高電壓脈波產生器可為不同的電離單元(結構)提供動力，該等電離單元(結構)具有多種離子發射極：金屬線之單個或群組、鋸條型發射極及尖銳電極。同樣，電離棒可具有氣流(空氣通道)之內部源，該氣流(空氣通道)之內部源連接至為於離子發射極封閉近矩離(closed proximity)內之噴嘴(nozzle)、小直徑孔口(orifices)或狹槽。因此，根據本發明之實施例，第8圖圖示具有金屬線發射極與空氣輔助離子遞送系統的線形棒之概視圖。

本發明之另一個實施例主要係關於電離棒設計。第6圖將本發明之另一個實施例的示意圖圖示為具有兩個(金屬線型或尖端型)發射極電極E1及E2之雙相電離棒。在具有兩個發射極之此雙相電離器中，該些發射極皆可配置為一排尖銳的尖頭型電極、金屬線或刀片，或一排具有尖頭型發射極之噴嘴。在以上參考之美國臨時申請案第61/584,173號中已揭示線形棒中元件之額外的細節。

高電壓區段之設計使用了與用於MOSFET相同 的驅動器電路(如先前所述)，但其中MOSFET電晶體汲極(M1與M2)連接至一對高電壓變壓器T1與T2，其中該對高電壓變壓器T1與T2係相反連接至該些主線圈。

控制電阻器R1與阻尼電容C2(在第6圖中)經選擇以產生與第3圖中所示之電路設計相同之交替的極性脈波。每一脈波將因此主要具有正或負峰值振幅並將交替極性。

在第7圖中，與變壓器T1及T2底部鐵心柱串聯的電容C2允許電離系統在自平衡模式中工作。兩個離子發射極相對於地面(ground)浮動且根據電荷守恆定律，輸出離子雲應是相當好地平衡的。否則，任何正常的不平衡產生橫越電容C2之相反DC電壓。在Leslie W.Partridge的共同擁有及共同讓與之美國專利第5,055,963號中可找到關於用於獲得上文提及之平衡的方法之額外的細節。美國專利第5,055,963號在此以引用之方式併入本文中。

連接至變壓器T1與變壓器T2之離子發射極具有恰好相反極性的電壓電離脈波。用於此雙相電離系統之電壓波形602圖示於第6圖中且具有發射極(1)E1與發射極(2)E2之簡化棒剖面605圖示於第6圖中。

與單相電離系統比較，第6圖中之此實施例具有至少幾個優點。一般電荷中和物體對電場敏感且需要有具場取消效應之電離器。雙相電離系統同時產生相反極性電壓且藉此可觀地減少輻射電場。

此特徵在當電離棒應當定位於對於帶電物體為極近矩離(close proximity)內之情況下亦為重要的。對於電 離棒之間的距離與(例如)正脈波列的目標持續時間(object duration)(脈波持續時間、振幅或脈波頻率等)而言，於一個發射極之一個循環中，該距離可較負脈波列之目標持續時間長；且在下一個循環中將為相反極性情況。彼情況將形成離子雲「推動」效應且加速離子至目標之移動。

雙相電離系統具有另一個優點：該雙相電離系統根本不具有龐大的參考電極且避免該等電極上之離子損失。

此外，反相電壓源可顯著地(幾乎兩倍地)減少每一發射極處用於產生電暈放電所需的電壓振幅。因此，該等變壓器可在設計上完全相同，或該等變壓器可具有較低的主繞組對次級繞組之匝比。因為彼此靠近之發射極易於增加發射極對之間的電場，所以可使用較低之匝比。

第6圖亦圖示雙相線形電離器之實施例，在此實施例中，每一發射極電容性地連接(C3與C4)至變壓器T1與變壓器T2之輸出端。兩個變壓器T1與T2之次級線圈接地。此為電容性耦合的自平衡電離系統之另一個變體。

圖示於第3圖與第6圖中之實施例之間的差異主要在於對離子平衡補償之反應時間。電容(C3與C4)可提供用於平衡之較短的過渡時間。同樣，與每一發射極串聯之小電容可有助於精密調諧它們之間的相移(phase shift)且在發射極接觸之情況下限制電流。

離子平衡控制：在一個實施例中，電離器可具有若干不同的變體之自平衡系統(圖示於第7圖中)：金屬線發射極(由虛線705 圖示)可電容性地耦合至HVPS輸出端並接地至參考電極，且浮動的變壓器副圈(發射極與參考電極兩者)電容性地耦合至HVPS。

線形電離器亦可具有主動離子平衡系統，該主動離子平衡系統使用定位於帶電目標極近區中的一或多個外部離子平衡感測器。在此情況下，棒(bar)的基於微控制器的控制系統與HVPS可主要產生具有與目標的電荷相反之一個極性的電離微脈波及離子。

第8圖中圖示具有金屬線型發射極之線形電離棒的概視圖。線電極801藉由彈簧(spring)802附接至棒之底盤(chassis)(或筒(cartridge))。彈簧802提供金屬線張力並連接至一個先前論述之高電壓電源之輸出端(未圖示於第8圖中)。參考電極803配置為安裝於底盤之側邊上之兩個不鏽鋼條。高強度電場形成電暈放電，其中該電暈放電係為籠罩金屬線發射極之離子電漿鞘的形式。

氣孔804供應氣流以幫助藉由發射極產生之離子移動至目標。因此，離子藉由電場與氣動力(aerodynamic force)之結合移動至帶電的目標。其結果是短的放電時間(在數秒範圍內)以中和物體電荷。

雖然已在特定實施例中描述本發明，但應瞭解，本發明不應當被理解為由該等實施例限制。相反，應當根據以下申請專利範圍理解本發明。

305‧‧‧發射極

330‧‧‧電晶體

335‧‧‧電晶體

345‧‧‧變壓器

365‧‧‧阻尼電路電阻

367‧‧‧電感

400‧‧‧微控制器

Claims (23)

1. 一種藉由在一發射極與一參考電極之間的一電暈放電中產生雙極離子之靜電荷中和方法，該方法包含以下步驟：產生短持續時間且銳利的微脈波；其中該等微脈波之每一者包含一正脈波部分與一負脈波部分；其中該等微脈波在正電壓與負電壓的量值上與振幅上主要呈不對稱，以及其中至少一個極性電壓的量值超過電暈閾值。
2. 如請求項1所述之方法，其中該等微脈波之一脈波持續時間係在奈秒範圍，致使一經施加之功率足以用於電暈放電以產生正離子與負離子。
3. 如請求項2所述之方法，其中該等微脈波被設置在具有低至約0.1%之一工作因子(duty factor)的一脈波列中，使得施加至該發射極的功率足以用於電暈放電以產生正離子與負離子，同時減少在發射極尖端上或線電極上之粒子之一積累且最小化與來自一電離器之電暈放電粒子排放相關聯之一污染且產生最小臭氧和氮氧化物。
4. 如請求項2所述之方法，其中該等微脈波被設置在具有約0.15%或更少之一工作因子的一脈波列中。
5. 如請求項1所述之方法，其中該等脈波包含強的電離波或強的電離部分，該電離波或該電離部分對於該發射極具有高於用於兩個極性之電暈閾值的振幅，且非電離波具有與該電離波相反之極性電壓。
6. 如請求項1所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：藉由改變至少一個極性脈波列中的脈波數量來維持一非常接近零之離子流平衡。
7. 如請求項1所述之方法，其中該等脈波包含處於一極低率之強的微脈波以便允許使用一低電源以提供施加至該發射極之一群組的高電壓。
8. 如請求項1所述之方法，其中一脈波列包含複數個波，每一個波包含一期初低振幅峰值、極性相反之一第二高振幅峰值及一最終低振幅峰值；以及其中該等脈波被設置在由靜電荷中和之一目標所定義之雙極脈波列中。
9. 如請求項1所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：提供一電壓的同步施加至一線形金屬線或線形發射極之群組以便減少尖端之間的一離子密度變化效應，並允許沿著該發射極之一長之一均勻離子平衡分佈。
10. 如請求項1所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：使用一微控制器控制且調整脈波之參數或該脈波列之參數，以及控制且調整流至該目標之一氣流。
11. 如請求項1所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：使用雙離子發射極產生相反極性電壓並藉此減少輻射電場。
12. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟：使用一交流電(AC)脈波高壓源以產生該雙極離子。
13. 一種用於在一發射極與一參考電極之間的一電暈放電內產生雙極離子之裝置，該裝置包含：一脈波驅動電路，該脈波驅動電路經配置以產生短持續時間且銳利的微脈波；其中該等微脈波之每一者包含一正脈波部分與一負脈波部分；其中該等微脈波在正電壓與負電壓的量值上與振幅上主要呈不對稱，以及其中至少一個極性電壓的量值超過電暈閾值。
14. 如請求項13所述之裝置，其中該等微脈波之一脈波持續時間係在奈秒範圍，致使一所施加之功率足以用於電暈放電以產生正離子與負離子。
15. 如請求項14所述之裝置，其中該等微脈波被設置在具有低至約0.1%之一工作因子(duty factor)的一脈波列中，使得施加至該發射極的功率足以用於電暈放電以產生正離子與負離子，同時減少在發射極尖端上或線電極上之粒子之一積累且最小化與來自一電離器之電暈放電粒子排放相關聯之一污染且產生最小臭氧和氮氧化物。
16. 如請求項13所述之裝置，其中該等脈波包含一極慢率(諸如大約250赫茲率而非一般大約50,000至70,000赫茲之脈波率)之一電離閾值，該電離閾值至少比一電離閾值高大約1000伏特，因此以低臭氧產生離子。
17. 如請求項13所述之裝置，其中該驅動電路經配置以藉由改變至少一個極性脈波列中的脈波數量來維持一非常接近零之離子流平衡。
18. 如請求項13所述之裝置，其中該等脈波包含一極低率之強的微脈波以便允許使用一低壓電源以提供施加至該發射極之一群組的高電壓。
19. 如請求項13所述之裝置，其中一脈波列包含複數個波，每一個波包含一期初低振幅峰值、極性相反之一第二高振幅峰值及一最終低振幅峰值；以及 其中該脈波驅動電路被配置以產生由一靜電荷中和目標所定義之銳利的雙極脈波的一可變數目、一持續時間、一率，以及振幅。
20. 如請求項13所述之裝置，其中該驅動電路經配置以提供一電壓的同步施加至一線形金屬線或線形發射極之群組以便減少尖端之間的一離子密度變化效應，並允許沿著該發射極之一長之一均勻離子平衡分佈。
21. 如請求項13所述之裝置，該裝置進一步包含：一微控制器，該微控制器經配置以控制且調整脈波之參數或該脈波列之參數，以及控制且調整流至該目標之一氣流。
22. 如請求項13所述之裝置，其中該發射極進一步包含：雙離子發射極，該雙離子發射極經配置以產生相反極性電壓並藉此減少一輻射電場。
23. 如請求項13所述之裝置，其中該脈波驅動電路包含用於產生該雙極離子之一交流電(AC)脈波高壓源。