宽范围的静电中和器和方法

专利名称：宽范围的静电中和器和方法
技术领域：
本发明涉及一种静电中和的方法和装置，并且更具体地涉及一种 用于中和距离子产生源的距离在一个较宽范围内的带电物体的静电 中和器和方法。
背景技术：
本领域公知的是通过电晕放电产生正负离子的静电中和离子发 生器。这些传统的离子发生器一般都限制了要中和的目标物体的距 离，其中该目标物体可能远离通过电晕放电产生离子的区域。另外， 在传统的离子发生器中，典型地使用产生较高交流电压(例如 (+/-)15kV)的电源，以使在给定时间段中产生的正负离子的数量最大 化。在其他实现方式中，还使用了诸如空气或氮气等气体将产生的离 子施与带电物体。使用高电压、气体或这两者会增加生产和使用这种 传统离子发生器的成本。产生足够用于生成较大数量正负离子的交流 高压需要更昂贵的电源，并且导致电源的尺寸和重量通常很难减小。 使用气体还会增加花费，这是因为在某些环境中，气体必须相对不含 不需要的粒子，以避免污染电离电极和作为中和目标的物体。并且， 使用除空气以外的气体还会增加获得该气体的进一步的费用。因此， 需要一种改进的用于中和带电物体的静电中和器和方法，其中该带电 物体距离子产生源的距离在比较宽的范围内，例如从1英寸至100英寸。

发明内容
利用一种方法和装置来提供物体的静电中和，其中该方法和装置 分别产生具有正、负带电离子的混合物的离子云，其中该正、负带电
离子通过使用频率和幅值随时间变化的电离电压产生；并且该方法和 装置通过使用第二电压将离子重新分配到两个相反极性的区域中，以 重新整形离子云。


图1A是根据本发明第一实施例的电离单元的底视示意框图； 图IB是沿图1A示出的电离单元中的线1B-1B截得的截面图； 图2A-2D示出了根据本发明第二实施例的双极离子云的产生和 极化；
图3是根据本发明第三实施例的电源的示意框图； 图4A是根据本发明第四实施例的电离单元的底视图； 图4B是沿图4A示出的电离单元中的线4B-4B截得的截面图； 图5A是根据本发明第五实施例的电离单元的底视图； 图5B是沿图4A示出的电离单元中的线5B-5B截得的截面图； 图6A-6D示出了根据本发明第七实施例的双极离子云的产生和 极化；以及
图7是根据本发明第六实施例的电源的示意框图。
具体实施例方式
尽管已经结合具体的最佳实施方式描述了本发明，但是应该理解 的是根据下面的描述，许多备选方案、修改和变形对于本领域技术 人员来说是显而易见的。下面示出的本发明实施例的这些备选方案、 修改和变形的使用将不需要不正当实验或进一步的创造性。
下面描述的本发明的各种实施例主要涉及使用称为"电离电压" 的交流高电压和电晕放电产生正负带电离子的混合物来实现带电物体的静电中和，其中该正负带电离子的混合物有时也统称为"双极离 子云"。电晕放电可以在电离单元或模块中进行，其中该电离单元或 模块具有至少一个其形状适于发射离子的电极，下文中称为"电离电 极"，以及至少一个用于接收参考电压，例如接地的另一个电极。当 在电离电极和参考电极之间测量的电离电压达到或超过电离单元的 起晕电压阈值时，施加于电离电极的电离电压将产生双极离子云。起 晕电压阈值典型是电离单元的参数的函数，当电离电压满足或超过起 晕电压阈值时，该起晕电压阈值是产生双极离子云的电压电平。
为了增大可用离子向带电物体转移或移动的有效范围，下面的实 例公开了产生被称为"极化电场"的电场。可以通过将第二电压(下 文称为"极化电压")施加于至少一个电极(下文称为"极化电极") 来产生极化电场，该极化电极与双极离子云邻近。在下面公开的实施 例中，电离单元除了包括电离电极和参考电极外，还包括该极化电极。
极化电场重新分配了形成双极离子云的离子。因为场排斥极性与 极化电压的极性相对应的离子，并且极化电场吸引极性与极化电场的 极性相反的离子，所以出现了离子云内的离子重新分配。在离子云中， 将离子重新分配至两个相反极性的区域接着使双极离子云被重新整 形，以至于与被排斥的离子对应的一部分云由被吸引到极化电场的离 子取代，这样增加了离子可以扩散或移动的范围。这种将离子重新分 配到两个区域的方式在此处的公开文本中有时也称为"离子极化"。
通过添加以任意组合的下述增强方式，可以进一步增强利用极化 电压增加离子扩散范围的效力，该下述增强方式为调节电离电压的 电压电势，频率或这两者，其中该电离电压与参考电极之间的间隙间 距和几何形状以及离子的迁移率相关，这些在下述的方程[l]中集中 表达；将诸如空气，氮气等的气体流施加于产生的离子；调节极化电 压的电压电势；调节极化电压的频率；以及对电离单元中使用的结构 和电极进行整形。
现在参照图1A和1B，其示出了根据本发明第一实施例的电离单 元2。电离单元2包括电极4、连接至例如地12等参考电压的电极 10a和10b(下文中分别称为参考电极10a和10b)、电极14a和14b、
14以及用于提供电极4的机械和电绝缘支撑的结构20，其中电极4具 有能够接收第一电压，例如电离电压8的连接端6，电极14a和14b 具有能够接收第二电压，例如极化电压18的连接端16。
电极4具有适于通过电晕放电产生离子的形状，并且在图1A和 1B示出的实例中，电极4的形式是金属丝或电线(wire)。使用金属 丝或电线实现电离电极4不是要限制这里公开的各种实施例的保护 范围。本领域普通技术人员很容易理解可以在实现电极4时使用其他 的形状，例如具有一个尖锐点或一个小圆角半径的电极，具有一组一 个以上尖锐点的电极或等效的电离电极。为了有助于下面的讨论，下 文将电极4称为"电离电极"。如下所述，当施加电离电压8，电极 14a和14b(下文中称为"极化电极")用于在电离电极4产生的双极离 子云内重新分配离子，使得对包括双极离子云的一部分离子进行转移 和重新分配以便更加靠近具有表面电荷24的带电物体22。在中和期 间，物体22可以是静止的或运动的。
示出的参考电极10a和10b以及极化电极14a和14b每个都具有 通常朝向电离电极4的相对平坦的表面。对于参考电极10a和10b以 及极化电极14a和14b，使用相对平坦的表面并不是要以任何方式限 制所述的实施例。也可以使用其他形状的参考电极10a和10b以及极 化电极Ma和14b，其他形状包括横截面与圆形或半圆相类似的形状。
参考电极10a和10b的布置应当形成5E-3m至5E-2m范围内的 间隙26a和26b。使用结构20将电极4， 10a， 10b， 14a和14b放置 在物体22附近的位置，使得距离28位于可用中和离子能够有效地转 移或移动到带电物体22的范围内。当前考虑该有效范围为从几个间 隙间隔(例如几个由间隙26a或间隙26b限定的间隙间隔)到100英 寸。结构20应当不导电并且在一定程度上绝缘以使得其介电性能对 这里公开的离子产生和转移的影响最小。建议结构20的介电性能在 1E11至1E15Q的电阻范围内，并且具有在2和5之间的介电常数。
电离单元2还可以包括滤波器30，用于分流当电离电压8施加 于电离电极4时感应的电流，以及用于允许极化电压18到达极化电 极14a和14b。滤波器30可以是能够执行该所述功能的任意设备，在图1A中所示的实例中，该滤波器30可以是值在10至lOOOpF范 围内的电容器。电离单元2还可以包括滤波器32，以将电离电极4 与电离电压8部分解耦合，以便增强正负带电离子的产生，其中滤波 器32例如是值在20-1000pF范围内的电容器。滤波器32用作高通滤 波器，用于移除电离电压6的低频和DC分量。滤波器32还通过在 电气上平衡包括工作期间产生的双极离子云在内的正负离子的产生 而提供电离单元2的自平衡功能。
图2A-2D示出了根据本发明第二实施例的双极离子云在给定时 间段中的重新分配或极化。图2A-2C是电离单元42的截面示意图， 该电离单元42具有与上述电离单元2基本相同的元件和功能，包括 用于接收电离电压的电离电极44，用于接收诸如地等参考电压的参 考电极50a和50b，用于接收极化电压的极化电极54a和54b，以及 结构60。
电离电极44和参考电极50a之间的空间限定了间隙66a，而电离 电极44和参考电极50b之间的空间限定了间隙66b。间隙66a和间 隙66b在该示例性实施例中基本相等。
在图2A和2D中，在时间t0，电离电压(V)48施加于电离电极 44。电离电压48具有在大约lkHz至30kHz范围内，优选在6至10kHz 之间的交流频率，并且具有足够高的正负电压电势以通过电晕放电在 间隙66a和66b内产生双极离子云。同时，在时间t0，极化电压58(U) 等于零。
电离电压48的施加使得包括双极离子云74a和74b的离子分别 在电离电极44和参考电极50a之间以及在电离电极44和电极50b之 间振荡。进一步的细节可以在序列号为no.:10/821,773、发明名称为 "Ion Generation Method and Apparatus "的美国专利申i青中找到，下 文中将该申请称为"专利"。
电离单元中使用的极化电极的极化效力取决于许多因素，包括使 用的极化电极的形状和位置以及在极化电极和参考电极之间限定的 间隙内的双极离子云的重力中心(weighted center)的位置。在示出 的实施例中，双极离子云74a和74b的重力中心应当与极化电极54a和54b的各个中心55a和55b对准，以使双极离子云74a和74b的离 子极化完全最大化。
通过经验方法或利用专利中教导的下述方程，完成在间隙66a和 66b内分别定位双极离子云74a和74b的重力中心 V=n*F/G2 [1]
在该式中，V是电离电极44和参考电极，例如参考电极50a或 50b之间的电压差，U是正负离子的平均迁移率，F是电离电压48 的频率，以及G等于电离电极44和参考电极之间的间隙，例如分别 为间隙66a或66b的尺寸。
方程[l]格外描述了电离电压的电压和频率与间隙内双极离子云 的重力中心的位置之间的关系特性，其中该间隙形成在电离和参考电 极之间，例如该间隙是在电离电极44和参考电极50a之间形成的间 隙66a和在电离电极44和参考电极50b之间形成的间隙66b。
将极化电极54a和54b的中心与间隙66a和66b的大致中部对准， 这会增强双极离子云74a和74b的各个重力中心的位置接近极化电极 54a和54b的中心。该对准可以通过调节电离电压48的幅值，频率 或这两者来完成。但是，已经发现调节双极离子云74a和74b的位置 的最便捷的方法是调节电离电压48的幅值，同时将电离电极和参考 电极之间的间隙保持在5E-3m至5E-2m的范围内，并且将电离电压 48的频率保持在1kHz至30kHz的范围内，且假设在一个大气压，温 度为21摄氏度的情况下，平均轻离子的迁移率在1E-4至2E-4[m2/V*s] 的范围内。
虽然方程[l]描述了具有电离电极和相对平坦的参考电极的电离 单元的特性，但是本领域技术人员在回顾了该公开文本和上述作为参 考的美国专利申请后应该理解使用电离电极和参考电极的其他结构 和/或形状的上述变量能够描述振荡的双极离子云的中心位置的特 性。
在静电中和期间，还施加极化电压58(U)，用于将由电离电压 46(V)产生的双极离子云极化，这使得一些离子重新移动并转移到单 独的区域中，并且施加极化电压58(U)还增加了电离单元42能够将中和离子向具有表面电荷63的带电物体62扩散的范围。
例如，如图2B所示，在图2D标明的时间段pl中，电离电压48 分别等于并超过负起晕电压阈值和正起晕电压阈值VI和V2至少一 次，从而产生了双极离子云74a和74b。同时在时间段pl中，极化 电压58达到并超过了正极化电压阈值U1，其通过使得大量离子分别 重新移动并转移至每个极化离子云中的单独区域来形成极化的离子 云75a和75b，这增加了电离单元42的离子中和与扩散范围。由于 带负电的离子被吸引到通过将极化电压58施加于极化电极54a和54b 所产生的正电场(未示出)，并且带正电的离子被极化电极54a和54b 排斥，从而出现极化。
另外，由于在该实例中，带电物体62a具有带负电荷的表面64a， 因此带正电的离子也被拉至带电物体62a的相反电势，这进一步增加 了中和离子向带电物体62a扩散的范围和效率。而且，双极离子云 74a和74b的极化降低了离子的重新组合，这进一步增加了电离单元 42进行静电中和的效率，这是因为产生离子需要更少的电能，否则 会由于离子重新组合而损失电能。
在另一实例中，如图2C所示，在图2D的时间段p2中，电离电 压48分别达到并超过负起晕电压阈值和正起晕电压阈值VI和V2至 少一次，从而产生了分别在间隙66a和66b内部之间振荡的离子云， 它们与双极离子云74a和74b类似。同时在时间段p2中，极化电压 58达到并超过负极化电压阈值U2，其通过使得大量离子分别重新移 动并转移至每个双极离子云中的单独区域来形成极化的离子云76a 和76b，这增加了电离单元42的离子中和与扩散范围。由于带正电
的离子被吸引到负电场(未示出)，而带负电的离子被极化电极54a和 54b排斥，从而出现极化。
此外，由于在该实例中，带电物体62具有带正电荷的表面64b, 因此带正电的离子也被拉至带电表面64的相反电势，这进一步增加 了中和离子向带电物体62a扩散的范围和效率。使用所选择极性的带 电物体并不是要限制如上述图2A-2D中公开的实例所教导的本发明 的保护范围和精神。任意极性的任意带电物体都可以与这里公开的一样被有效中和。
可以将极化电压58的频率选择在0.1至100Hz的范围内，但是 该频率并不是要以任何方式限制本发明。的确，还可以将极化电压 58的频率选择在O.l至500Hz的范围内。极化电压58还包括DC偏 移(未示出)，用于平衡产生的正负离子的数量。极化电压58的电压 和DC偏移可以小于产生电晕放电的阈值电压，在此处公开的实施例 中，该电压典型在+/-10至3000￥的范围内。
提供正弦波形式的极化电压58并不是要以任何方式限制如这里 的各种实施例所教导的要求保护的本发明的范围和精神。其他类型的 波形可以用于提供上述的极化效果，这包括方波，梯形波等形式的波 形。
虽然极化电压58达到正峰值电压恰好出现在当电离电压48在时 间tl达到负峰值电压时，并且示出极化电压58达到负峰值电压恰好 出现在当电离电压48在时间t2达到正峰值电压时，但是图2A-图2D 中示出和描述的实施例并不是要进行这种限制。不必一定如此选择公 开的电离电压48和极化电压58的频率以便使得它们具有的峰值电压 以图2D示出的方式同步，而是该频率只要位于能够实现这里描述的 创造性方案的频率范围内即可。
根据本发明的第三实施例，图3中的示意性框图示出了产生用于 双极电离单元106的电离电压102和极化电压104的电源100，其中 该双极电离单元106具有和电离单元42基本相同的元件和功能，其 包括电离电极和极化电极。电离电压102和极化电压104意在分别耦 合至电离单元106的电离电极和极化电极(未示出)。
电源100包括DC电源108，该DC电源108耦合至可调频率发 生器110和电流调节器112。在操作期间，可调频率发生器110产生 0.1至500Hz范围内的输出频率，其由高压放大器114放大，且在极 化输出端116提供极化电压104。电流调节器112从DC电源108接 收功率，并且调节传送至高压频率发生器118的电流。
高压频率发生器118是Royer型高压频率发生器，并产生频率由 变压器120的初级绕组的电感和电容器122的值限定的电离电压102。使用电流调节器112可以调节电离电压102的最大绝对峰值电压。 Royer高压频率发生器是本领域技术人员公知的。
电源IOO还可以包括滤波器124，例如值为10-1000pF的电容器， 以最小化或消除可能由电离电压102在极化输出端116上感应的任何 电压电势，这是因为极化输出端116在操作期间将连接至电离单元 106的极化电极(未示出)。滤波器126用作高通滤波器并且可以使用 值为20-1000pF的电容器实现。如果电离单元106具有和先前公开的 电离单元2类似的结构和功能，并且电离单元106配置有与124和 126等效的滤波器，则可以省略滤波器124和126。
另外，电离单元42的使用或形状、电离电极44、参考电极50a 和50b、极化电极54a和54b和结构60，以及用于产生离子源的电极 数量都不是要限制图3中示出的实施例或这里公开的任何实施例，其 中所述离子源用于中和带电物体的静电荷。
例如，电离单元142可以以图4A和4B中示出的形式实现。电 离单元142包括电极144、连接到诸如地(未示出)等参考电压的参考 电极150、极化电极154和结构160，其中电极144具有能够接收第 一电压，例如电离电压148的连接端146，而极化电极154具有能够 接收第二电压，例如极化电压158的连接端156。
电极144具有适用于通过电晕放电产生离子的形状，在图4A和 4B示出的实例中，电极144具有尖锐点形式的端部或具有小半径尖 端的杆。使用尖锐点实现电极144并不是要限制这里公开的各种实施 例的保护范围。本领域普通技术人员容易理解当实现电极144时可以 使用其他形状，例如一组一个以上尖锐点的电极、金属丝或等效的电 离电极。
连接端146和156，电极144， 150和154，以及滤波器170和 172具有分别与图1A及1B中描述的它们的相应元件类似的功能和结 构，除了电极150和154由电气上连续的表面实现。滤波器170和 172和之前描述的一样是可选的。如图所示，结构160大致是倒置的 凹表面的形式，并且具有类似于上述结构20的非导电属性。另外， 参考电极150应当放置在结构160内，使得在其和电极156之间形成范围在5E-3m至5E-2m内的间隙166a和166b(参见图4b)。
电极154用于对在电离电压148施加于电极144时所产生的双极 离子云174内的离子进行重新分配。该离子的重新分配将重新分配的 离子中的一部分进行转移且移动以便更加接近具有表面电荷164的 带电物体162。物体162在中和期间可以是静止的或运动的。另外， 静电中和器可以构造为具有以线性或其他方式布置的一个以上的电 离单元142，这取决于进行静电中和的带电物体的结构。
根据本发明的第五实施例，图5A和5B示出了电离单元202，该 电离单元202具有用于分别接收极化电压218a和218b的电极214a 和214b;至少一个用于经由连接端206接收电离电压208的电离电 极204的示例；用于接收参考电压，例如地212的电极210a和210b; 以及结构220。
每个电离电极204具有适于通过电晕放电产生离子的形状，在图 5A和5B示出的实例中，该电离电极204具有一个尖锐点形式的端部。 使用尖锐点实现电极204并不是要限制这里公开的各种实施例的保 护范围。本领域普通技术人员将容易理解当实现电极204时可以使用 其他形状，例如具有金属丝形状的电极或等价的电离电极。
连接端206， 216a和216b，电极210a和210b，结构220，滤波 器230a和230b以及滤波器232具有分别与图1A和1B中描述的它 们的相应元件类似的功能和结构。电离电压208(参见图5B)具有与上 述电离电压148基本类似的电气特性。物体222在中和期间可以是静 止的或运动的。
电极214a和214b用作极化电极，并与上述电极14a和14b共有 基本相同的功能，除了在该实例中，它们彼此不电气耦合。极化电压 218a和218b具有与下述的图6A-6D中的电压258a和258b基本类似 的电压和频率特性。
图6A-6C是电离单元242的截面示意图，其中该电离单元242 具有与图5A和5B中描述的电离单元202基本相同的元件和功能， 包括具有用于接收电离电压248的连接端246的电离电极244，用于 接收诸如地等参考电压的参考电极250a和250b，用于分别接收电压
21258a和258b的极化电极254a和254b，以及结构260。电离电极244 和参考电极250a之间的空间形成间隙266a，而电离电极244和参考 电极250b之间的空间形成间隙266b。
电离单元242也可以以与电离单元202基本相同的方式构造，其 具有分别耦合至参考电极250a和250b的滤波器(未示出)以及滤波器 232，这些滤波器分别和滤波器230a， 230b和232基本等效。耦合至 参考电极250a和250b的滤波器在图6A-6C中未示出，以避免使这 里的公开文本过于复杂。滤波器232耦合至电离电极244和连接端 246。
图6D示出了电离电压248以及电压258a和258b的波形，将电 离电压248以及电压258a和258b设计为在带电物体262的静电中和 期间用于图6A-6C中描述的电离单元，其中带电物体262具有带电 表面264，该带电表面包括正负电荷的混合物。
电离电压248是频率在大约1kHz至30kHz范围内的交流电压， 虽然该范围不是要以任何方式限制本发明。可以使用其他范围，这取 决于间隙266a和266b内的双极离子云274a和274b的各个重力中心 的期望位置。为了增强双极离子云274a和274b的极化和离子向带电 物体262的扩散，建议使用经验方法或前述的方程[l]将所述云的各 个重力中心与极化电极254a和254b的中心对准。
电压258(Ua)和258b(Ub)每个都具有在0.1Hz至500Hz范围内， 优选为0.1-100Hz范围内的频率；具有比电离电压小且优选比产生电 晕放电所需的电压小的最大峰值电压；以及具有相位彼此相差180度 的梯形波形。在该实例中，电压258a和258b每个都具有在(+A)10至 300V范围内的最大峰值电压。下文中将电压258a和258b称为"极 化电压"。
使用相位相差180度的梯形波形的极化电压会导致在两个带相 反电荷的双极离子云内的离子的接近连续的离子重新分配，同时还增 加了具有带正电荷和带负电荷表面的带电物体的静电中和的效率。提 供密集布置的正负离子云会产生很低的空间电荷量，这使得作为静电 中和目标的物体的过充电的可能性最小化。本领域普通技术人员在细读了这里的公开文本后将容易理解，可以使用其他的波形以使得极化 电压保持在足够使离子极化的阈值的时间最大化。例如，极化电压
258a和258b可以以两个方波的形式实现，且每个极化电压的相位彼 此相差180度。
极化电压258a和258b还可以分别包括DC偏移259a和259b，
它们可以用于通过调节电晕放电产生的正负离子的平衡来减少空间 电荷。使用的DC偏移量应当被限制在+/-10和3000V的电压范围内， 且不应当超过在极化电极和参考电极之间发起电晕放电所必需的电 压电平。
现在参照图6A和6D，在时间段p3期间，电离电压248分别达 到或超过负电晕阈值V3和正电晕阈值V4(参照图6D)至少一次。每 次电离电压248达到或超过V3或V4时(这分别是在电离电极244 和参考电极250a之间以及在电离电极244和参考电极250b之间测量 的)，电离电压248通过电晕放电产生离子。电离电压248的交流特 性产生正负离子的混合物，这称为双极离子云274a和274b，它们分 别在电离电极244和参考电极250a之间以及在电离电极244和参考 电极250b之间振荡。
同样，在时间段p3期间，极化电压258a(Ua)和258a(Ub)分别达 到和超过极化阈值Ual和Ub2。在达到和超过这些极化阈值后，极化 电压258a和258b分别通过使得这些极化离子重新移动和转移到各个 双极离子云中的单独区域以使双极离子云274a和274b中的足够多的 离子极化，这将双极离子云变换为极化的离子云275a和275b(在图 6B中示出)，并由此增加了电离单元242的离子中和与扩散范围。
当极化电压258a等于或超过Ual从而将云274a中的足够多的带 负电的离子吸引到产生在极化电极254a和参考电极250之间的正电 场(未示出)时，双极离子云274a变为极化的离子云275a。当极化电 压258b超过Ua2从而使得双极离子云274b中的足够多的带正电的 离子被产生在极化电极254b和参考电极250b之间的负电场排斥时， 还发生离子云274b的极化。
极化阈值电压Ual， Ua2和Ubl， Ub2可以在10-100V的范围内，虽然该范围不是要以任何方式限制公开的实施例。例如，可以提供这 些极化阈值电压，并且这些极化阈值电压可以是如上所述的足以使离 子极化的任意阈值量。
在时间段p4期间，每次电离电压248达到或超过V3或V4时(这 分别是在电离电极244和参考电极250a之间以及在电离电极244和 参考电极250b之间测量的)，电离电压248继续通过电晕放电产生离 子。电离电压248的交流特性产生了正负离子的混合物，如图6A中 所示的双极离子云274a和274b，其分别在电离电极244和参考电极 250a之间以及在电离电极244和参考电极250b之间振荡。
同样，在时间段p4期间，极化电压258a(Ua)和258a(Ub)分别达 到和超过极化阈值Ual和Ub2。在达到和超过这些极化阈值后，极化 电压258a和258b分别通过使这些极化离子重新移动和转移至各个双 极离子云中的单独区域以使双极离子云274a和274中的足够多的离 子极化，这将双极离子云变换为极化的离子云276a和275b(在图6C 中示出)，并由此增加了电离单元242的离子中和与扩散范围。
当极化电压258a等于或超过Ua2从而将云274a中的足够多的带 负电的离子吸引到产生在极化电极254a和参考电极250之间的负电 场(未示出)时，双极离子云274a变为极化的离子云276a。类似地， 当极化电压258b超过Ual从而使得双极离子云274b中的足够多的 带负电的离子被产生在极化电极254b和参考电极250b之间的正电场 排斥时，还发生离子云274b的极化
极化电压258a和258b的使用进一步增加了电离单元242的离子 扩散范围，这是因为不管表面电荷264是什么极性，极化的离子云将 提供任一极性的极化离子，使得这些具有与带电表面264相反的电荷 的离子被拉向带电表面，这进一步增加了中和离子能够向带电物体或 选择的用于静电中和的表面扩散的范围和效率。而且，双极离子云 274a和274b的极化降低了离子的重新组合，这进一步又增加了电离 单元242执行静电中和的效率，这是因为需要更少的电能来产生离 子，否则将由于离子的重新组合而损失电能。
根据本发明的第七实施例，图7中示出了和电离单元302 —起使用的电源300的示意框图，其中该电离单元302能够接收两个极化电 压。电源300包括DC电源330，可调频率发生器332，电流调节器 334和高压频率发生器338，它们分别和上述的可调频率发生器110， 电流调节器112和高压频率发生器118具有基本相同的元件和功能。
电源300还包括产生两个电压314a和314b的高压放大器336， 其中电压314a和314b被设计为用作电离单元302的极化电压并且分 别具有与上述的电离电压258a和258b基本类似的电气特性。高压放 大器包括DC偏移调节器340，其改变电压314a，电压314b的DC 偏移值，或者改变电压314a和电压314b两者的DC偏移值，以使电 离单元302的离子平衡。
电离单元302包括与上述电离单元242基本相同的元件和功能。 如果电离单元302构造为不具有滤波器322a， 322b和324，并且如 果需要这些滤波器，那么电源300还可以包括滤波器322a， 322b和 324。滤波器322a和322b具有与滤波器230a和230b基本相同的结 构和功能，而滤波器324具有与滤波器232基本相同的结构和功能。
权利要求
1、一种用于中和在第一位置的带静电的物体的装置，包括第一电极，用于接收第一电压；第二电极，通过所选择尺寸的间隙与所述第一电极分开；第三电极，用于接收第三电压；当所述第一电压施加于所述第一电极并且参考电压施加于所述第二电极时，所述第一电压用于产生离子云，该离子云具有正负离子，并且具有位于所述间隙内的所选择位置的重力中心；并且当所述第二电压施加于所述第三电极时，所述第二电压用于重新分配所述正负离子。
2、 如权利要求1所述的装置，其中所述第三电极包括暴露于所 述间隙的表面。
3、 如权利要求1所述的装置，其中所述第三电极包括中心与所 述间隙的中心对准的表面。
4、 如权利要求1所述的装置，其中所述第一电压具有第一频率， 所述第二电压具有第二频率，并且其中所述第一频率大于所述第二频 率。
5、 如权利要求1所述的装置，其中所述第一电压具有在lkHz 至30kHz范围内的第一频率，并且所述第二电压具有在0.1Hz至 500版范围内的第二频率。
6、 如权利要求1所述的装置，其中所述离子云是双极离子云。
7、 如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极具有金属丝形 式的形状。
8、 如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极包括以点形状 终止的锥形端部。
9、 如权利要求1所述的装置，其中所述离子的所述重新分配使 所述离子云重新整形，使得所述离子云的一部分扩散到更加靠近所述 第一位置。
10、 如权利要求1所述的装置，其中所述第三电压包括DC偏移。
11、 如权利要求l所述的装置，其中所述第一电压具有选择的频 率和幅值，以使得所述离子云的重力中心大约位于所述间隙的中心。
12、 如权利要求1所述的装置，其中所述第一电压具有选择的频 率和幅值，以使得所述离子云的所述重力中心大约位于所述间隙的中 心，使用方程来选择<formula>formula see original document page 3</formula>在该方程中，u是所述正负离子的平均离子迁移率，F是所述频 率，V是所述幅值，而G是所述间隙的所述选择的尺寸。
13、 一种用于减少位于第一位置的物体上的静电荷的装置，包括 第一电极，用于接收第一电压；第二电极和第三电极，用于接收参考电压，所述第二电极与所述 第一 电极由第一间隙隔开，所述第三电极与所述第一 电极由第二间隙 隔开；当所述第一电压施加于所述第一电极时，所述第一电压用于在所 述第一间隙内产生第一组正负离子，并且在所述第二间隙内产生第二 组正负离子；第四电极和第五电极，用于接收第二电压；以及 当所述第二电压施加于所述第四和第五电极时，所述第二电压用于重新分配所述第一和第二组正负离子。
14、 如权利要求13所述的装置，其中所述第一电极是电离电极， 并且所述参考电压等于接地电势，并用作所述第一和第二电压的参考 电压。
15、 如权利要求13所述的装置，其中所述第四电极包括面对所 述第一间隙的第一表面，而所述第五电极包括面对所述第二间隙的第 二表面。
16、 如权利要求13所述的装置，其中所述第四和第五电极每个 分别具有与所述第一和第二间隙的中心对准的中心。
17、 如权利要求13所述的装置，其中所述第一电压具有第一频 率，所述第二电压具有第二频率，并且其中所述第一频率大于所述第 二频率。
18、 如权利要求13所述的装置，其中所述第一电压具有在lkHz 至30kHz范围内的第一频率，而所述第二电压具有在0.1至500Hz 范围内的第二频率。
19、 一种用于中和位于第一位置的带静电荷的物体的装置，包括 通过间隙隔开的电离电极和参考电极，所述电离电极用于接收第一电压，并且其中当所述第一电压施加于所述电离电极时，所述第一 电压使得基本在所述间隙内选择的位置处产生正负离子；以及极化电极，具有面对所述间隙的表面，并且用于接收第二电压， 当所述第二电压施加于所述极化电极时，所述第二电压用于重新 分配所述正负离子。
20、 如权利要求19所述的装置，其中所述第一电压以第一频率交变，而所述第二电压以第二频率交变。
21、 如权利要求19所述的装置，其中所述第一电压以在lkHz 至30kHz范围内选择的第一频率处交变，而所述第二电压以在O.lHz 至500Hz范围内选择的第二频率处交变。
22、 如权利要求19所述的装置，其中所述重新分配使得所述正 离子的一部分扩散到更加靠近所述第一位置。
23、 如权利要求19所述的装置，其中所述重新分配使得所述负 离子的一部分扩散到更加靠近所述第一位置。
24、 如权利要求19所述的装置，其中所述电离电极具有金属丝 的形状。
25、 一种具有电离单元的电离组件，用于静电中和位于第一位置 处的带电物体，并且用于接收具有第一频率的第一电压和具有第二频 率的第二电压，所述组件包括至少一个电离电极，用于接收所述第一电压；至少一个极化电极，用于接收所述第二电压；至少一个参考电极，其具有的电压用作所述第一和第二电压的接 地参考电压；并且其中，在将所述第一电压施加于所述至少一个电离电极后，产生 离子云，并且在将所述第二电压施加于所述至少一个极化电极后，所 述离子云内具有与所述第二电压的极性相反的离子被重新分配至更 加靠近所述第一位置。
26、 如权利要求25所述的电离组件，其中所述电离电极是发射 器点。
27、 如权利要求25所述的电离组件，其中所述电离电极是电线。
28、 如权利要求25所述的电离组件，还包括电源，该电源具有 用于提供所述第一 电压的第一输出端。
29、 如权利要求25所述的电离组件，还包括电源，该电源具有 用于提供所述第一电压的第一输出端和用于提供所述第二电压的第 二输出端。
30、 如权利要求25所述的电离组件，还包括与所述至少一个电 离电极和用于提供所述第一电压的电源输出端耦合且串联的第一滤 波器。
31、 如权利要求25所述的电离组件，还包括与所述至少一个极 化电极和用于提供所述第二电压的电源输出端耦合且串联的第二滤 波器。
32、 一种用于减少位于第一位置处的物体上的静电荷的装置，包括第一电极，用于接收第一电压；第二电极和第三电极，用于接收参考电压，所述第二电极与所述 第一电极由第一间隙隔开，所述第三电极与所述第一电极由第二间隙 隔开；当所述第一电压施加于所述第一电极时，所述第一电压用于在所 述第一间隙内产生第一组正负离子，并且在所述第二间隙内产生第二 组正负离子；第四电极，用于接收第二电压，以及第五电极，用于接收第三电压；当所述第二电压施加于所述第四电极时，所述第二电压用于重新 分配所述第一组正负离子；以及当所述第三电压施加于所述第五电极时，所述第三电压用于重新 分配所述第二组正负离子。
33、 如权利要求32所述的装置，其中所述第一电极是电离电极， 所述参考电压等于接地电势，并用作所述第一和第二电压的参考电 压。
34、 如权利要求32所述的装置，其中所述第四电极包括面对所 述第一间隙放置的第一表面，而所述第五电极包括面对所述第二间隙 放置的第二表面。
35、 如权利要求32所述的装置，其中所述第一电压具有第一频 率，所述第二电压具有第二频率，并且其中所述第一频率大于所述第 二频率。
36、 如权利要求32所述的装置，其中所述第一电压具有在lkHz 至31kHz范围内的第一频率，而所述第二电压具有在0.1至500Hz 范围内的第二频率。
37、 如权利要求32所述的装置，其中所述第一电压具有第一频 率，所述第二电压具有第二频率，以及所述第三电压具有第三频率。
38、 如权利要求32所述的装置，其中所述第一电压具有第一频 率，所述第二电压具有第二频率，以及所述第三电压具有第三频率； 并且其中所述第一频率大于所述第二和第三频率。
39、 如权利要求32所述的装置，其中所述第二和第三电压分别 以相位相差180度的频率交变。
40、 如权利要求32所述的装置，其中所述第二和第三电压分别具有梯形波形。
41、 如权利要求32所述的装置，其中所述第二和第三电压分别 具有方波波形。
42、 如权利要求32所述的装置，其中所述第一和第二间隙基本 相等，并且所述第一电压具有频率和电压，所述第一组和第二组正负 离子的所述重力中心大约分别位于所述第一和第二间隙的中心，使用 方程来选择所述频率和所述幅值V=u*F/G2在该方程中，u是所述正负离子的平均离子迁移率，F是所述频 率，V是所述幅值，而G是所述第一间隙的所述选择的尺寸。
43、 一种提供电离组件的方法，其中该电离组件用于减少位于第 一位置的物体上的静电荷，所述方法包括提供电离单元，该电离单元具有与第二电极通过间隙隔开的第一 电极，以及表面暴露于所述间隙的第三电极；提供用于产生第一电压的第一电压源，当所述第一电压施加于所 述第一电极时，所述第一电压导致产生离子云，该离子云具有正负带 电离子混合物，并且具有位于所述间隙内的所选择位置的重力中心；提供用于产生第二电压的第二电压源，当所述第二电压施加于所 述第二电极时，所述第二电压导致在所述离子云内的所述离子重新分 配；并且其中所述第二电极提供用于所述电离单元的参考电压。
44、 如权利要求43所述的方法，其中所述重新分配使得所述正 负带电离子在所述离子云内分为正区域和负区域，所述正区域包括所 述带正电的离子，而所述负区域包括所述带负电的离子。
45、 如权利要求43所述的方法，其中所述重新分配使所述离子云重新整形，使得所述离子云的一部分离子被扩散至更加靠近所述第 一位置。
46、 如权利要求43所述的方法，其中所述产生所述第一电压还 包括使所述第一电压交变，这限定了所述第一电压的频率和幅值，以 及选择所述频率或所述幅值以将所述离子云设置在所述间隙内的选 择位置。
47、 如权利要求43所述的方法，其中所述产生所述第二电压还 包括在0.1Hz至500Hz范围内使所述第二电压交变。
48、 如权利要求43所述的方法，其中所述重新分配还包括重新 整形所述离子云，以使得所述离子云的一部分扩散至更加靠近所述第 一位置。
49、 如权利要求43所述的方法，还提供用于提供所述第一和第 二电压源的电源。
50、 一种用于减少位于第一位置的物体上的静电荷的方法，包括 通过使用频率和幅值随时间变化的电离电压来产生具有正负带电离子混合物的离子云；以及通过使用第二电压将所述离子重新分配至两个相反极性的区域 来重新整形所述离子云。
51、 如权利要求50所述的方法，其中所述产生包括将所述电离 电压施加于一对电极以产生所述离子云，其中该对电极通过所选择尺 寸的间隙隔开，以及包括通过使用方程选择所述频率而将所述离子云 的重力中心设置在所述间隙内V=u*F/G2在该方程中，u是所述离子的平均离子迁移率，F是所述频率，V是所述幅值，以及G是所述间隙的所述选择的尺寸。
52、 如权利要求50所述的方法，其中所述产生包括将所述电离 电压施加于一对电极以产生所述离子云，其中该对电极通过所选择尺 寸的间隙隔开，以及包括通过使用方程选择所述幅值而将所述离子云 的所述重力中心设置在所述间隙内V=u*F/G2在该方程中，ii是所述离子的平均离子迁移率，F是所述频率， V是所述幅值，以及G是所述间隙的所述选择的尺寸。
53、 如权利要求50所述的方法，其中所述产生包括将所述电离电压施加于一对电极以产生所述离子 云，其中所述一对电极通过所选择尺寸的间隙隔开；并且其中所述重新整形包括将所述第二电压施加于至少一个电极以 产生极化电场，其中所述至少一个电极具有至少一个朝向所述间隙的 表面，所述极化电场通过排斥具有所述极化电场的极性的离子和吸引 具有与所述极化电场相反极性的离子而重新分配所述离子。
54、 如权利要求50所述的方法，其中所述第二电压具有在O.lHz 至500Hz范围内的频率，并且具有小于引起电晕放电所需的幅值。
55、 一种用于减少基本位于第一位置的静电电势的方法，包括 提供电离单元，其具有将第一电极与第一参考表面隔开的第一间隙、将所述第一电极和第二参考表面隔开的第二间隙、朝向所述第一 间隙的第一极化表面、以及朝向所述第二间隙的第二极化表面，提供用于输出第一电压的第一电压源，当所述第一电压施加于所 述第一电极时，所述第一电压导致产生第一组正负带电离子和第二组 正负带电离子，其中所述第一组正负带电离子共同具有位于所述第一 间隙中的所选择位置的重力中心，而所述第二组正负带电离子共同具 有位于所述第二间隙中的所选择位置的重力中心；提供用于输出第二电压和第三电压的第二电压源，当所述第二和 第三电压分别施加于所述第一和第二极化表面时，该第二电压和第三 电压分别将所述离子在所述第一和第二组内重新分配至单独的区域； 并且其中所述第一和第二参考表面用于提供所述电离单元的参考电压。
56、 如权利要求55所述的方法，其中所述第二和第三电压具有 彼此异相的各自频率。
57、 如权利要求55所述的方法，其中分别提供梯形波形形式的 所述第二电压和第三电压。
58、 如权利要求55所述的方法，其中分别提供方波波形形式的 所述第二电压和第三电压。
59、 如权利要求55所述的方法，其中所述第一和第二参考表面 电耦合。
全文摘要
通过在电离单元或模块中产生具有正负带电离子混合物的离子云，并且重新整形该离子云来提供带电物体的静电中和，其中使用第二电压将离子重新分配至两个相反极性的区域来重新整形离子云。第二电压产生电场，该电场优选位于离子云的邻近处。离子的重新分配增加了可用离子向带电物体转移或移动的有效范围。该电场重新分配形成离子云的离子。因为极性与第二电压的极性相对应的离子被电场排斥，而极性与电场极性相反的离子被吸引到电场，所以在离子云内发生离子重新分配。在离子云中，将离子重新分配至两个相反极性的区域接着使得离子云重新整形，以至于与被排斥的离子相对应的一部分云由被吸引到电场的离子取代，这样增强了离子扩散或移动的范围。这种将离子重新分配至两个区域的方式在此处的公开文本中有时也被称为“离子极化”。
文档编号H02H1/04GK101568400SQ200680017693
公开日2009年10月28日 申请日期2006年5月22日 优先权日2005年5月25日
发明者A·伊格纳坚科, P·戈夫特, S·格尔基 申请人:Mks仪器公司