电弧电子流设备及其方法

专利名称：电弧电子流设备及其方法
技术领域：
一般而言，本发明涉及环境控制设备及其方法的领域，且更特别的 是关于电弧环境设备，其用于减少排出气流中的排放，还用于产生用于 其它环境目的的臭氧。
背景技术：
汽车、卡车、飞机的内燃机及其它排放源每年排放数百万吨例如氮 氧化合物、碳氢化合物、 一氧化碳、二氧化碳及有毒气体的污染物质。 其它对空气污染有显著影响的包括，举例而言，发电机、涂覆工艺
(coating processes)及固体废物焚烧，等等。由于日益扩大的工业化以及 正在增加的全球范围使用汽车，由空气污染导致的这些问题正在越来越 受到关注。
在抑制空气污染的努力中，许多国家己经公布空气污染排放标准， 其要求利用最佳可用技术来控制污染源。此熟知的污染控制技术包含静 电滤尘器、袋式收尘器、旋风分离器、颗粒活性炭及水幕。这些设备中 的每一个由于仅能够控制有限排放源中特定污染物而受到限制。
关于汽车，具有贵金属(例如一金衡制盎司的铂、钯或铑的)的催化 转化器目前正用于减少排气管排放。这些贵金属价格昂贵且难以全球范 围供应。因此其可用性不足以满足全球范围需求，尤其在开发中国家。
此外，催化转化器的使用寿命有限，在其整个使用寿命期间其效率 减小，使其不能满足排放标准。 一旦催化转化器失效，其中的贵金属不 易于溶解，因此典型地被作为有害废弃物而掩埋。
一个用于减少排气流中污染物的相对新近的革新是向排气施加一个 电晕场，如在以下美国专利中所描述的颁发给Feldman的US No.5，733，360、颁发给Rich的US No.5,433，832 、颁发给Henis的US No.3，983,021、颁发给Nunez的US No.5，236,672、颁发给Masters的US No.5,410,871、颁发给Masters的US No.5，419,123、及颁发给Birmingham 等人的US No.4，954，320。然而电晕发生设备在其去除尾气中污染物的类 型方面非常有限。从而，电晕设备对于控制来自多数工业源或汽车的排 放未有实际应用。
除需要改进有关从移动污染源及点污染源减少排放的技术外，还期 望发展可产生用于多种其它环境目的的高浓度臭氧的技术。举例而言， 将臭氧引入汽车发动机的汽缸中导致燃烧更为彻底。此优质燃烧导致增 加马力、增加里程及减少排放。
臭氧在减少细菌及病毒数量方面同样有效。因而，臭氧可被用来处 理来自城市废水处理工厂的流出物。臭氧亦可用于移除例如旅馆房间、 工厂或酒馆等环境中空气中传播的病菌、气味及烟尘。
实际上，由于传统的臭氧发生设备不能以高成本效益为特定任务产 生足够量及足够浓度的臭氧，因此还未有完全实现对臭氧的有益使用。 其它困难包括臭氧的分解速度相对较快，且难以大量传输及储存。因 此，期望在计划使用臭氧的地点产生臭氧。再次指出，传统的臭氧产生 设备还未能满足这些需求。
考虑到上面所述，需要一种设备，其能够减少来自点污染源及移动 污染源排出气流的污染物。另外，其需要一种设备，其增强传统的以及 含有减量贵金属的催化转化器的性能并延长其有效寿命。其亦需要一种 设备，所述设备产生高浓度的臭氧，用于例如改良内燃机中燃烧、消除 细菌及净化室内空气的其它环境目的
发明内容
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为达到上述及其它目标，如此处的具体表达及广泛描述，本发明提 供一个电弧电子流设备的各种具体实施例及使用所述电弧电子流设备的 方法，用于减少来自一个流体的排放和/或用于产生用于各种环境应用的 臭氧。在本发明的一个优选具体实施例中， 一个电弧电子流设备包含第一 及第二电极。所述电极彼此间隔，从而所述电极间界定一个空间，在其 中经过的流体被处理。 一个电压源在所述第一与第二电极的间施加一个 电压，以便在所述电极的间产生复数个电弧，所述电弧将所述流体中的 微粒(例如污染物)分解成其组成部分。
在本发明的一个具体实施例中，所述电弧电子流设备的第一电极包 含具有第一及第二部分的第一表面，为了促进在所述第一电极的第一、 第二部分与所述第二电极间的整个空间内产生强电弧，使所述第一部分 靠近所述第二电极的程度甚于所述第二部分靠近所述第二电极的程度。
在本发明的一个具体实施例中，为使得流体流经所述第一电极，可 在所述第一电极的第一部分或所述第一电极的第一及第二部分形成若干 开口。在所述第一及第二部分皆具有开口的场合，优选第一部分中的开 口截面面积大于所述第二部分中开口的截面面积。
在本发明的一个具体实施例中，所述第一及第二部分处于不同平面 上。另外，所述第一及第二部分可处于不同的平行平面上。
在另一具体实施例中，电弧电子流渐进地在所述第一及第二电极上
形成，使得在10秒或更短时间内电弧横越所述电极间的空间的至少 50%。在一个更佳的具体实施例中，所述电弧在5秒或更短时间内横越 所述空间的至少75%。
在本发明的一个优选具体实施例中，为了分解包含于流体中的微粒 (例如污染物)，提供了一种用于处理流体的方法。所述方法包含这些步 骤提供第一及第二电极；在所述电极间以某一频率施加电压；在所述 电极间产生复数个电弧电子流；以及使流体流经所述电极，藉此使流体 受到所述电弧电子流作用。
在本发明的一个具体实施例中，所述方法进一步包含以下步骤在 10秒的时间周期内使至少50%的流体受到所述电弧电子流中至少一个电 弧电子流的作用。在本发明的一个具体实施例中，所述方法的第一电极包含具有第一 及第二部分的第一表面。第一部分的位置使其靠近所述第二电极的程度 甚于所述第二部分靠近所述第二电极的程度。在所述第一部分与所述第 二电极间且同样在所述第二部分与所述第二电极间产生电弧电子流。
在本发明的一个具体实施例中，所述方法包含在第一 电极与第二电 极间产生电场梯度的步骤。为了处理夹带于流体中的微粒，所述电场梯 度均匀地施加至所述流体。
在本发明的一个具体实施例中，所述方法包含以下步骤以致少
1,600脉冲/分钟的频率在所述第一与第二电极间施加一个至少20,000伏 特的电压差。


参照附图阅读本发明的详细描述时，可更好地理解本发明上述的及
其它特征、方面及优点，其中
图1为根据本发明的一个具体实施例的用于分解流体中的微粒的电 弧电子流设备的剖面图，以及用于供应电压至所述设备的电压产生系统 的示意图2为图1的电弧电子流设备的局部剖面图3为根据本发明的一个具体实施例的具有台阶形表面电极的实施 例的后视图，所述电极可被包含在图1的设备中； 图4为图3的电极的主视图； 图5为图3的电极的侧视图6为根据本发明的具体实施例的具有平坦表面的电极的另一个具 体实施例的后视图，所述电极可被包含于图l的设备中； 图7为图6的电极的主视图； 图8为图6的电极的侧视图9为根据本发明的一个具体实施例的具有台阶形表面的电极的后 视图，所述台阶形表面具有第一及第二部分，其中仅在所述第一部分中 设若干开口，所述电极可被包含在图1的设备中；图10为图9的电极的主视图； 图11为图9的电极的侧视图12为根据本发明一个具体实施例的电极的后视图，所述电极具有 带有平坦第一部分及成角度第二部分的表面，所述电极可被包含于图1 的设备中；
图13为图12的电极的主视图14为图12的电极的侧视图15为根据本发明一个具体实施例的电极的后视图，所述电极具有
台阶形表面，其中所述表面没有开口，所述电极可被包含在图1的设备
中；
图16为图15的电极的主视图； 图17为图15的电极的侧视图18为根据本发明一个具体实施例的电弧电子流设备的剖面侧视
图，其类似于图1所示的设备，但是使电极定位于所述设备的相对侧使
得流体流经所述电极间；以及
图19为根据本发明一个具体实施例的电弧电子流设备的剖面侧视 图，其类似于图1所示的设备，但是一个电极不具有开口而另一个电极 具有若干开口。
具体实施例方式
现在下文将参考附图更完整地描述本发明，在所述附图中示出本发 明的若干优选具体实施例。然而，本发明可以多种不同形式具体实现， 且不应被解释为限制于此处阐述的具体实施例。提供这些典型具体实施 例使得此揭示内容既完整又彻底，且将完整地向熟习此项技术者传递本 发明的范围。
本发明为一种设备，其用于产生用于各种目的的电弧形式的电子流 以及电场梯度。 一个目的为用于减少流体中的污染物。另一目的为用于 产生可用于各种应用场合的臭氧。如此处所使用且不应解释为限制含义，术语"流体"应包含周围空气、工业废气流、室内空气、排气、排 放、气体、气流及类似物。
在一个具体实施例中，所发明的设备通过产生电弧电子流来横越所 述电极间以达到这些目标。特别地，可致使电弧电子流从多处位置"跳 起"，从一个电极跳至另一电极，使得所述电子流在一个较短时间周期内 大体上覆盖所述电极间的整个空间。结果是，几乎所述电极间所有分子 皆受到电子至分子冲击作用，所述冲击将一些所述分子分解成其组成部 分。同样，当正流经所述电极间的流体含有污染物时，所述电子至污染 物冲击将所述污染物分解成其组成部分，从而减少排放。所述电弧电子 流亦分解所述流体中的氧分子，从而形成可在各种应用场合中使用的臭 氧。
在一个具体实施例中，为了进一步分解所述流体中的污染物微粒， 本发明亦向所述流体施加一个电场梯度。通常均匀地施加所述电场梯 度，使所有流体均被处理。
参考图1及2，在本发明的一个具体实施例中，所发明的设备10包
括 一个主体12;容纳于所述主体12中且间隔一定距离的第一及第二 电极14; 一个用于在所述电极14间以一频率施加电压的电压产生系统
8(图1),以及至少一个用于从所述电压产生系统18向所述电极14中至 少一个供应电压的导线20。所述主体12与电极14于其间界定一个腔 21(图1)，流经其中的流体被处理。所述电极14可通过一定位环22(图1) 可移除地固定于所述设备10中。为了提高流体经过所述设备10的动态 运动，可视需要提供一个叶片泵23。
所述电极14优选地具有相同的结构，且因此可互换。由于所述电极 14具有相同的结构，因此使用相同组件标号确定所述电极的相同结构组 件。但是，如下面所述及替代具体实施例中所表示，所述第一及第二电 极14还是可具有不同的结构。从而，例如"a"、 "b"或类似标号的组件标 号被用来确定替代具体实施例。所述电极14由一种材料形成，所述材料能够允许在所述电极14间 施加一个电压差。尽管不被解释为限制性，但是可形成所述电极14的适 当材料包含不锈钢、铬、镁合金，其中由于其强度、耐腐蚀性及导电特 性所以优选不锈钢。
所述电极14被置于所述主体12中，彼此平行关联且以此方式使得 所有流体在所述电极14间流过。在一个优选具体实施例中，流体流经所 述第一电极14中的多个开口 24，经由所述电极14间的腔21，接着经由 所述第二电极14中多个开口 24释放，如图1中图示的箭头所指示。在 各种具体实施例中，组件标号24、 24a、 24b及24c通常指示各自电极中 所有所述开口。
参考图1 4，所述电极14中的所述开口 24允许流体流经所述设备 以进行处理。优选地，所述开口24为圆柱体，即具有一定高度且沿其高 度具有一个圆形截面，且在每一所述电极14上，所述开口 24的模式、 形状及尺寸相同。所述开口 24不限制于任何特定的尺寸、形状、排列、 结构、数量或模式。亦不需要每一所述电极14上的所述开口 24相同。 如此处所使用的，不管所述开口的形状如何，在一个垂直于所述开口高 度的平面上测量一开口的截面面积。
通常，通过增加开口 24的数量来获得整个腔21的较好电子流运 动。同样，电极14具有较多数量的较小开口优于具有较少数量的较大开 口。同样优选地所述开口 24充分允许自由流体流经整个设备以避免形成 回压。
参考图6 8，其图示一个电极14a的一个替代具体实施例，所述电极 具有一个平坦第一表面28a、 一个第二表面29a及一个周边表面30a，其 中多干开口 24a自所述第一表面28a延伸穿过所述电极14a至所述第二表 面29a。 一对电极14a被置于所述主体12中(下面描述适合图1，好似电 极14a替代电极14图示于其中)，从而每一电极的第一表面28a彼此面对 且平行。由于每一电极第一表面28a的所有部分彼此等距，且作为一般 规则，电弧通常在所述最靠近点间出现，因此导致电弧电子流在所述电极14a间自许多位置跳起。尽管电弧在所述电极14a间整个空间中出 现，但实际上，申请人已确定，当使用具有平行、平坦、相对的第一表 面28a的电极14a时，则电弧倾向于更频繁地靠近电极14a的周边形成 (即，更靠近所述主体12的一个内表面40)，而不是如期望那样横跨所述 电极14a(即贯穿所述腔21)同等地形成。
理论证实电弧电子流倾向于聚集在所述主体12的内部表面40附 近是由于所述内部表面40附近的流体流动慢于所述腔21的中心处的流 体流动，这是因为电弧通常更易于穿过更慢运动的流体而出现。同样 地，电弧出现的位置不仅依赖于所述电极间的距离，而且依赖于所述腔 21中流体流动速率。
参考图3 5，其图示了所述电极14的一个优选具体实施例，其用 于克服使电子流聚集于所述主体12的内部表面40附近的倾向(图1)。所 述电极14包括一个第一表面28、 一个第二表面29以及一个周边表面 30，其中所述第一表面28包含一个平坦第一部分32及一个平坦第二部 分34。所述第一部分32通过一向外指向的过渡部分38自所述第二部分 34延伸。穿过所述电极M自所述第一表面28至所述第二表面29提供若 干开口 24。尽管非必须的，优选地所述第一部分32中的所述开口 35大 于所述第二部分34中的所述开口 36，且所述第二部分开口 36数量众多 且彼此靠近，以便于改进所述主体12的内部表面40(图l)附近的体积排 出流量。
所述第二部分34在所述第一部分32周围形成一个周边，且被配置 成靠近所述主体12的内部表面40定位(图1)。所述过渡部分38自所述 第二部分34垂直地凸出所述第一部分32。同样地，所述电极14的第一 及第二部分32、 34彼此平行，同时所述过渡部分38垂直于所述第一及 第二部分32、 34。
参考图1，当所述电极14处于所述主体12中一工作位置时，对所 述电极14进行配置，使其第一部分32相互间的靠近程度甚于第二部分 34。通过具有台阶形的第一表面28，促使在所述电极第一及第二部分32、 34整体上方形成强电弧，且从而贯穿所述腔21出现电弧。应了解此 处所使用的术语"第二部分"指所述第二部分的有效部分。也就是第二部 分中被暴露以与相对电极关联的部分，其区别于任何被主体12阻挡的剩 余部分，所述剩余部分例如用来将所述电极14固定于所述主体12中适 当位置的部分。另外，如此处所使用的，所述术语"台阶形的"及"台阶" 包含任何电极结构，所述电极结构包括具有第一及第二部分的第一表 面，其中所述第一部分被布置成比所述第二部分更靠外，使得电弧电子 流在所述第一及第二部分两者上形成。从而，由图1 5、 9 19图示的 所述电极具体实施例被认为是台阶形的电极。
参考图1，理论上所述凸出的第一部分32通过在所述第一部分32 间产生一个更小间隙促进强电弧移动。对于形成一个电弧电子流所需要 的电压差来说，此较小间隙所需要的电压差低于第二电极部分34的较大 间隙所需要的电压差，且同样地，抵消在所述主体内表面40附近具有较 慢气体运动的效果。理想地，这些台阶的高度被设定成使得在所述第一 部分32处需要的飞弧电压大约与用于所述第二部分34间更长分离距离 的飞弧电压相等，其中在所述第二部分34处流体流动更慢。
所述电极14的具体尺寸、其间的间隔依赖于流体的性质、其流速、 所应用的电压及频率，以及其它因素。不被解释为限制，下面所述为优 选电极结构的实例。
在一个实例中，所述电极第一表面28的截面面积足以包围所述腔 21的截面，从而流经所述主体12的所有排放必然流经所述电极14,如 图1所示。参考图4及5，所述电极14的第一及第二部分32、 34与在所 述圆形第一部分32周围形成一个环形环的第二部分34同心。所述第二 部分34具有一个大约1/8英寸(3.2毫米)或更大的径向跨距XI，从而当 所述电极14被定位于所述主体12(图l)中时，所述第一部分32距所述内 表面40间隔至少1/8英寸(3.2毫米)。且所述第一部分32通过所述过渡 部分38距离所述第二部分34凸出一个大约1/16英寸(1.6毫米)或更大、 且优选地1/8英寸(3.2毫米)或更大的距离Yl。此外，所述第一部分32的直径X2优选地至少1英寸(25.4毫米)，更佳地至少2英寸(50.8毫 米)，然而具体直径依赖于所述设备的应用。通常，优选地所述第一部分 32的面积为至少0.78平方英寸(5.03平方厘米)，且更佳地至少3.14平方 英寸(20.26平方厘米)，同时所述第二部分34的有效面积优选地至少0.44 平方英寸(2.84平方厘米)，且更佳地至少0.83平方英寸(5.36平方厘米)。
继续所述实例，且不解释为限制，所述电极14被隔开一定距离，使 得所述第一部分32间的距离优选地为至少3/8英寸(9.5毫米)，且所述第 二部分32间的距离为至少5/8英寸(15.8毫米)。
上面所述的电极结构及间隔适于处理汽车排出废气。应注意尽管给 出了特定的实例，但是即使偏离这些陈述的结构与距离亦可获得理想的 结果。此外，尽管电极结构及所述电极14间的间隔可根据设备的应用而 变化，但是此处用于产生电弧电子流的教导保持一致。
不被解释为限制，图6 17图示电极的其它具体实施例，所述电极 可用于此发明的设备中。通常除了所说明的差异外，上面的描述及实例 将适用于下面具体实施例。
在前面参考图6 8描述的具体实施例的进一步细节中，由组件标号 14a确定的电极类似于参考图3 5描述的电极14，但是电极14a中所述 第一及第二部分32a、 34a处于同一平面中。所述电极14a包含一个第一 表面28a、 一个第二表面29a、 一个周边表面30a及若干自所述第一表面 28a延伸至所述第二表面29a的开口 24a。在此具体实施例中，所述第二 部分34a为具有若干较小开口 36a的环形部分，所述环形部分环绕具有 更大开口 35a的圆形第一部分32a的周边。在另一具体实施例中(未显 示)，所述电极Ma可具有仅穿过所述第一部分的若干开口。
图9 11图示了一个电极14b的一个具体实施例，其类似于参考图 3 5描述的所述电极14，电极14b包含一个第一表面28b、第二表面 29b及周边表面30b。所述第一表面28b包括第一部分32b、 一第二部分 34b及过渡部分38b。然而，所提供的开口 24b仅穿过所述第一部分 32b，未穿过所述第二部分34b。图12 14图示由组件标号14c表示的电极的具体实施例，其类似于 参考图3 5描述的电极14，包含一个第一表面28c、 一个第二表面29c 及一个周边表面30c。然而，所述第一表面28c包括一个平坦第一部分 32c以及一个成角度的第二部分34c。所提供的若干开口 24c、 35c、 36c 穿过所述第一部分32c及所述第二部分34c。作为另一具体实施例(未显 示)，所述成角度的第一部分可替代为凹面或凸起。
此处描述的任何所述电极亦可形成为不具有开口。举例而言，参考 图3 5描述的所述电极可被配置成未有开口，如在图15 17中图示所 示。除了所述电极14d不具有开口外，所述组件(组件标号为14d、 28d、 29d、 32d、 34d以及38d)与图3 5的相应组件(14、 28、 29、 32、 34及 38)相同。这些电极可被用于所述电极的放置仍使得流体流经其间的场 合。举例而言，图18图示了一个具体实施例，其中未有开口的电极 14d(例如根据图15 17描述的电极)被定位在主体12d的相对侧。流经的 流体(由箭头指示)通过所述电极Md间产生的电弧电子流(未显示)处理。 应了解任何其它被描述的电极可被定位于所述主体12d的相对侧。
图19图示另一实例，其中不需要穿过电极的开口。此处，所述主体 12f具有一个通道Pl，流体(由箭头指示)可穿过所述通道在一电极(例如 根据图15 17描述的所述电极14d)周围流动，以便受到电弧电子流(未 显示)的作用。图19还图示不同电极可被配对在一起。在此实例中，所 述电极14d被与一个具有若干穿过其第二部分的开口的电极配对，所述 电极例如根据图9 11描述的电极14b。
对于每一所述电极具体实施例，尽管优选地所述第一部分为平坦 的，但是其亦可轻微凸起，或甚至具有较小的隆起、凹陷或波动起伏。 申请人:亦理论推断具有轻微凸起的第二部分时可出现强电弧，由于主体 12的内部表面40(图l)附近的流体流动速度较慢，抵消了由于所述电极 中心更加接近而产生的电弧势能。
此外，此处描述的所述电极可具有非圆形截面。举例而言，所述电 极的第一部分和/或第二部分可具有椭圆截面、矩形截面或其它截面。对于每一个电极具体实施例，优选地所述电极通过例如机械加工或 铸造的传统方法形成为一整体。据信具有整体构造的电极在其上可提供 更优的电弧移动。申请人理论推断若电极由粘贴在一起的单独部分组 成，则所述部分的间裂缝空间可减少电弧电子流形成。
通常关于所述电极中的开口。所述幵口 24可仅在所述第一部分 32(图7)中提供，或提供于所述第一及第二部分32、 34(图4)中。所述开 口无须相同的尺寸。举例而言，在所述第一和/或第二部分中的开口的尺 寸可变化。另外，所述第一部分32中的所述开口 24可与所述第二部分 34中的所述开口 24具有不同的尺寸。通常，据信与所述第一部分32中 的开口相比，所述第二部分34中具有较小开口 24提供更优的电弧电子 流移动。任何此优点可能是由于通过开口 24的此配置和/或通过使得靠 近所述主体12(图l)的内部表面40处增加的流体流动导致的文氏管效应 (venturi affect)。
参考图1，所述腔21为通过所述主体12及所述电极14界定的一个 空间，流经其中的流体被处理。优选的空间为圆柱，其具有与所封闭电 极14大约相同尺寸的截面。所述腔21的形状容纳贯穿整个腔21的电弧 及电场梯度。也就是优选地在所述电极14间的所述腔21内没有结构或 障碍物。
所述主体12由优选地为陶瓷的材料构造，其能够防止电.压渗通任一 所述电极14与所述主体12外部的任何导电结构。可接受的陶瓷包含堇 青石及滑石等。滑石为一良好绝缘体，具有优选的电性能。堇青石可抗 散热冲击，且同样地，其可用于当所述主体12因为特殊应用而受到突然 温度变化的时候。视需要，所述主体12的内部表面可被抛光以避免残余 物的累积。所述抛光特别地在"湿"流体应用场合下有用，例如所述设备 将被用于处理来自柴油机源的流体的时。
参考图1及2，可提供一个保护性外壳60以保护所述主体12免受 其环境的损坏。所述外壳60亦促进连接所述设备10至待处理的源。在 汽车使用的环境下，典型的外壳60将包含一包围所述主体12的金属壳62，其中所述金属壳62被用于连接至汽车排气管。 一个蛭石障碍物64 可被设置于所述主体12与壳62间，填充其间的空间，以减少振动。
参考图1，电压产生系统18的优选具体实施例被图示用于以一期望 的频率在所述电极14间施加电压，且以此方式产生电弧电子流。所述电 压产生系统18包含用于提供信号至传感器52的变换器50，所述信号是 关于流体源、环境条件和/或流体性质。举例而言，关于汽车，可识别发 动机的操作条件及流体性质。所述传感器52将所有所述信号整合进组合 环境分析中。
所述环境分析被自所述传感器52经由信息信道54传递至电压控制 器56，在所述电压控制器56中所述环境分析被转换成一组命令。所述 组命令通过双向信道58对话至电压发生器61，以指示所述电压发生器 61如何产生最适宜的电弧频率、持续时间及强度。由于阻止发生电弧的 条件基于各个电弧而变化，所述通道58为双向的以便所述电压发生器 61及电压控制器56沟通有关电压产生的动态。也就是，所述电压发生器 61向所述电压控制器56传达是否产生了最适宜的电弧。接受到此信息 时，所述电压控制器56向所述电压发生器61发回一组新命令，用于产 生下一电弧。
使所述传感器52接收关于源条件与环境及流体的信息、传递此信息 至所述电压控制器56、接着命令所述电压发生器61关于如何产生最适 宜的频率及持续时间及强度的电弧，整个序列无限地持续。所述序列确 保持续最佳化所述电弧，以最大限度处理流体，而不消耗过多能量。
应了解不同于在所述优选具体实施例中所描述的动态电压产生系统 亦可为合适的。
作为另一替代，所述设备可使用一个"固定"电压产生系统。也就 是，电压产生系统可被配置成在所述电极16间应用一个预先确定的电 压。作为进一步的选择，所述电压可以恒定频率施加在所述电极16间。所应用的电压可为交流电或直流电。可是，由于直流电源允许电源 为蓄电池，因此典型地将使用直流电源。举例而言，在汽车环境中，所 述电压产生系统可通过汽车蓄电池来供电。
作为另一选择，可通过飞弧半路反转电压极性，以便所述电弧电子 流自一个电极起源，接着完成源自另一个电极的路径。
在一个具体实施例中，所述电压被应用到一个电极，而另一个电极
接地。举例而言，所述电压产生系统18可操作地连接至所述第一或第二 电极14，而其余电极接地。
在另一具体实施例中，所述电极14可为电"浮接"。也就是，电极 14皆不接地。作为替代，所述电极14可操作地连接至所述电压产生系统 18，藉此所述系统18在所述电极14间施加电压差。
通过浮接所述电极14可获得诸多优点。 一个优点为消除了源的接地 系统的干扰，其中所述处理设备IO应用至所述源的接地系统。例如举例 而言汽车的许多机器依赖于不调和的接地系统以可靠地操作。因此，改
型且接地所述处理设备IO至最初接地系统可干扰汽车的功能。
浮接所述电极14的另一个优点为，可通过彼此接近地布置所述导线 来部分消除由所述导线20导致的电磁干扰(EMI)。在集成有易受EMI影 响的电子设备的汽车应用及其它应用中消除EMI是重要的，因为EMI可 对这些电子设备产生不利影响。举例而言，对于汽车应用，EMI可导致 错误的信号被发送至汽车计算机及电子设备。
可通过以接近、平行但方向相反方式延伸所述导线20来提供消除 EMI。也就是，可通过保持所述正及负走向导线尽可能靠近在一起来显 著降低EMI，因为通过正导线产生的EMI将由所述负(返回)导线的EMI 部分消除。所述导线被定位的越靠近在一起，则EMI消除效果就越好。
相反，通过将一导线接地，则由于回路差不多为整个汽车，因此几 乎未出现EMI消除。因此，所述导线未能被平行匹配以消除EMI。
在操作中，所述电压产生系统在所述网格间以一定频率施加电压以 处理正流经所述处理设备的流体。减少污染物的优选结果出现在以每分钟至少1,600脉冲的脉冲率下在所述电极间施加至少20,000伏特的初始 电压差。更佳地，在每分钟1,600-10,000脉冲的频率下施加处于40,000 伏特-100,000伏特范围的初始电压。典型地，运行电压大约为初始电压 的1/3-2/3。如此处所使用，"初始电压"为在所述处理设备的起动过程中 施加的间隙电压。然而，"运行电压"为所述处理设备的连续操作过程中 施加的间隙电压。
虽然给出上述范围，但是最佳电压及脉冲率将根据流体的性质、流 体流动速率、源的操作标准、环境条件或类似因素而变化。通常，例如 来自 一个柴油内燃机的排放的较湿流体需要比来自例如无铅汽油或丙垸 的较轻燃料的排放更高电压及脉冲频率。
为示范的目的且不解释为限制，在减少来自一个汽车的排放中污染 物的环境中，施加在所述电极间的优选初始电压为至少20,000伏特，脉 冲速率为至少3,000脉冲/分钟/汽缸。举例而言，对于一个六汽缸汽油供 能的汽车内燃机，为最佳减少污染物，优选地在每分钟18，000-48，000脉 冲下电压差为40,000-60,000伏特的间。
参考图1，通过应用上述的操作条件至任何上述的电极具体实施 例，惊讶地是，导致众多电弧电子流自所述第一电极14的众多位置"跳 起"至所述第二电极M，使得在一个相对短的时间周期内电子流大体上 覆盖所述电极14的间整个腔21。通过如此做，大体上所有流经的流体 由一或更多电子流轰击。从而，几乎所有流体皆受到电子至分子冲击， 所述冲击将流体中所述分子分解成其组成部分，导致产生一个相当量的 臭氧且导致所述流体中污染物分解。不被解释为限制，优选地流体的至 少50%、更佳地至少75%、且最佳地至少90%在排出所述处理腔21的 前直接受到一个电弧电子流作用。类似地，电弧电子流优选地横越所述 腔21的至少50%、更佳地至少75%、且最佳地至少90%。电弧电子流 横越上述体的优选时间周期为优选地IO秒或更短、更佳地5秒或更短、 且最佳地3秒或更短。通常，优选地所述电弧电子流以上述的体百分率在一个小于流体分子进出所述腔21所必须时间的时间周期横越所述空 间。
亦意想不到不但使所述电弧70"移动"贯穿所述腔21，而且亦使其以 一'群，移动经过所述腔21。如此处所使用的， 一群电弧70为一组电弧电 子流，其彼此紧密靠近，使得所述电弧通常呈现为一个大电弧。所述电 弧群70优选地具有一个至少1/4英寸(6.3毫米)的'直径，D1，且更佳地至 少1/2英寸(12.7毫米)。如此处所使用，当与所述术语群70相关联时， 所述术语"直径"指所述群70的平均直径，因为所述群截面仅近似为一个 圆。
理论上电弧电子流70贯穿所述腔21的移动部分是由于一个耐热机 构。通过加热所述耐热区域、耗尽所述耐热区域的电子、且减少紧靠所 述耐热区域周围的区域中由于当前的弧络而产生的气体离子等操作，所 述耐热机构自所述电极14上一个耐热区域排放可获得的电子。于是，所 述耐热机构在一个刚形成电弧的耐热区域处形成需要的弧络电压。
作为此耐热电压形成过程的结果，下一个电弧70将更可能从所述电 极上另一位置而不是自所述耐热区域形成。所述耐热机构的效果通常持 续几分之一秒至数秒，在此时间的后，所述耐热区域逐渐衰退以变成一 等可能地使一个电弧自其开始的区域。
在上述的电压及电弧频率下，每一个新电弧在最终返回至初始区域 的前将在一个渐进的不同区域上形成。在连续的电弧期间，所述电极14 布满耐热区域，每一个耐热区域处于一个不同的衰减水平。以此方式， 所述电弧在返回到开始区域且重复所述过程的前将均匀地在所述整个电 极第一表面28上前进。
通常，通过设定所述电弧频率足够高，顺序的电弧前进在小于使流 体分子穿过所述腔室的时间内覆盖所述电极14的整个第一表面28以及 所述电极14的间的腔21。通过贯穿所有所述腔21顺序地形成电弧，每 一个流体分子在其排出所述处理设备10之前将受到紧靠的一或多个电弧 的作用。应注意电弧的有效性依赖于电弧强度及持续时间，其通过应用的电 压及频率来控制。电弧的强度意味着跨过所述电极的间的体的电子流动 速率。作为一个最初规则，对于任何气体分子距离的电弧，电弧的强度 越高及持续时间越久，则电弧的清洁作用就越强。然而其达到一个回报 减少点，其中电弧强度及持续时间的进一步增加导致逐渐降低的清洁作 用，同时需要更多的电能。
据信所述耐热机构结合所述电极14在其第一与第二部分32、 34间 以不同的距离分开将沿所述电极14及贯穿所述腔21提供优选的强移动 电弧群。进一步据信其中所述耐热机构(由电压及频率输入所指示)导致电 弧沿电极14及贯穿腔21渐进地移动，且所述第一及第二部分32、 34通 过阻止所述电弧在所述主体12的内部表面40附近不成比例地形成而有 助于导致所述电弧沿所述电极14及腔21移动。
所述设备IO也使用电场梯度来处理流体。所述电场梯度通常被单向 且均匀地应用。"均匀"系指所述电场梯度在距所述电极第一表面28 —个 给定距离的所有点基本相同。
均匀的电场梯度源于所述电极14的几何结构及所述电极14间的电 压势能。当分子流过所述第一电极14中所述开口 24时，其立即且均匀 地受到所述电场电压梯度作用。此暴露通常均匀平等地应用在穿过所述 腔21整个行程的所有分子上，直到所述分子经由所述第二电极14中的 所述开口 24排出所述腔21。
参考图2，当使用本发明的设备IO用来通过减少其中的污染物来减 少流体中污染物时，也可使用一个催化剂74来进一步处理所述流体。所 述催化剂74可被承载在一例如蜂巢状金属或硅石层的层上，其中流体流 经所述层。举例而言，在汽车环境下，可使用一个催化转化器，使所述 催化剂74为贵金属(例如钯、铂或者铑)。
通过测试，申请人已证实使用处理设备IO与一个传统的催化转化器 结合产生令人印象深刻的效果，来自汽车排放减少的污染物远低于单独 通过催化转化器可获得的水平。此外，当所述处理设备IO与一个适当老化的传统催化转化器一起使用时，亦可获得惊人的效果。老化是一个过 程，通过所述过程所述催化转化器被损坏以确定其在一个汽车上保证的 适用期。尽管是老化的催化转化器，但还是达到额外的污染物减少并且 延长了所述催化转化器的寿命。
另外，即使当使用催化剂的量显著减少的催化转化器，所述处理器
10仍然显著减少排放。举例而言，即使在催化转化器中催化剂量从典型 的一金衡制盎司的量减少到1/10金衡制盎司，但还是达到了实质性的排
放减少。
应注意可将额外的部件添加至本发明。举例而言，可串联添加额外 的电极以进一步处理流经其中的流体。作为另一实例，为了进一步通过 所述设备提高污染物的减少，可将电离气体供应至所述系统。
此外，通过所述设备IO产生的高浓度臭氧可用于多种用途。举例而 言，通过周围的空气流经所述设备10而产生的臭氧可用来净化空气、消
除细菌或喷射进内燃机汽缸中以改进其中的燃烧。
上面提供了本发明的若干典型具体实施例的详细描述。尽管己参考 优选具体实施例及其实例描述了电弧电子流设备及其使用方法，但是其 它具体实施例及实例可完成类似的功能和/或达到类似的结果。所有这些 等价的具体实施例及实例皆属于本发明的思想与范围内，且将通过下面 申请专利范围所涵盖。
权利要求
1.一种产生电弧电子流的设备，用于处理流体，其包括一个第一电极；一个第二电极，其通过一个距离与所述第一电极隔开且在所述第一电极与第二电极间界定一个空间；一个电压源，其用于在所述第一电极与第二电极间施加一个电压；且其中在所述第一电极与第二电极间产生复数个电弧电子流。
2. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极包含一个具有第一 及第二部分的第一表面，其中所述第一部分比所述第二部分更紧靠所述 第二电极。
3. 如权利要求2所述的设备，其中所述电弧电子流在所述第一部分 与所述第二电极间以及在所述第二部分与所述第二电极间形成。
4. 如权利要求2所述的设备，其中所述第一部分具有复数个延伸穿 过所述第一电极的开口。
5. 如权利要求4所述的设备，其中所述第二部分具有复数个延伸穿 过所述第一电极的开口。
6. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极包含一个台阶形第 一表面。
7. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极包含一个具有第一 及第二部分的第一表面，其中所述第一部分处于一、第一平面中而所述 第二部分处于第二平面中。
8. 如权利要求7所述的设备，其中所述第一部分平行于所述第二部分。
9. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极包含具有第一及第 二部分以及一个位于所述第一与第二部分间的过渡部分的第一表面，其 中所述过渡部分从所述第二部分向外凸出所述第一部分。
10. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极及第二电极为电 浮接。
11. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极包含具有第一及 第二部分的第一表面，其中所述第二部分被设定在所述第一部分的周边 外部。
12. 如权利要求1所述的设备，其中所述电弧电子流渐进地形成于 所述第一电极及第二电极上方，由此所述电弧电子流在10秒或更短时 间内横越所述空间的至少50%。
13. 如权利要求12所述的设备，其中所述电弧电子流在5秒或更短 时间内横越所述空间的至少75%。
14. 如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极包含具有第一及 第二部分的第一表面，其中所述第一部分为平坦的且具有一至少0.78平 方英寸(5.03平方厘米)的面积。
15. —种用于产生处理流体的电弧电子流的方法，所述方法包括以 下步骤提供第一和第二电极；在所述第一电极与第二电极间以一定频率施加一个电压； 在所述第一电极与第二电极间产生复数个电弧电子流； 在所述第一电极与第二电极间流过一个流体；以及 使所述流体受到复数个电弧电子流的作用。
16. 如权利要求15所述的方法，其进一步包含以下步骤，即在10秒 的、内使至少50%的流体受到所述电弧电子流中的至少一个的作用。
17. 如权利要求15所述的方法，其中所述第一电极包含具有第一及 第二部分的第一表面，其中在所述第一部分与所述第二电极间以及在所 述第二部分与所述第二电极间产生所述电弧电子流，且其中所述第一部 分靠近所述第二电极的程度甚于所述第二部分靠近所述第二电极的程 度。
18. 如权利要求15所述的方法，其中所述第一电极包含一个台阶形 第一表面。
19. 如权利要求15所述的方法，其进一步包含在所述第一电极与第 二电极间产生一个电场梯度的步骤，其中所述电场梯度被均匀地应用到 所述流体。
20. 如权利要求15所述的方法，其进一步包含以下步骤，即以至少 1,600脉冲/分钟的频率在所述第一电极与第二电极间施加至少20,000伏 特的电压。
全文摘要
一种电弧电子流设备及方法，用于减少流体中的污染物。所述设备包含第一及第二电极以及其间的一个腔室。以一顶频率在所述电极间施加电压，由此导致在所述电极间产生复数个电弧电子流。所述电极具有台阶形表面，使得所述电极的中心第一部分比外部第二部分更加彼此靠近。此台阶形结构导致电弧电子流渐进地沿所述电极形成，且从而横越贯穿腔室，由此有效地处理所述腔室中的分子。
文档编号F01N13/02GK101287545SQ200580042605
公开日2008年10月15日 申请日期2005年10月14日 优先权日2004年10月15日
发明者保罗D.·克普尔, 兰多夫M.·威尔森 申请人:全球环境概念有限责任公司