专利名称：空气离子化模块及方法
技术领域：
本发明涉及用于产生包含基本平衡的正及负空气离子量以对带电物体上的静电荷加以中和的气流的设备及方法。
背景技术：
某些已知的静电荷中和器通常对施加至升压变压器的交流电流(AC)进行操纵，以产生施加至尖头电极的高离子化电压。理想地，此种中和器的运行应产生由电平衡的正及负离子量形成的移动气流，所述移动气流可引向带有必须加以中和的不利静电荷的邻近物体。
已知各种用于使用偏压控制网格、浮动电源及类似装置来使移动气流中所输送的正及负离子量基本平衡的电路。然而，此种常规平衡电路通常包括体积大的变压器且缺少手动平衡或偏置调节的能力。
另外，常规离子产生器呈现出低的离子产生效率及因电极尖端上的高电流密度而对发射器电极的腐蚀、以及因电极尖端受到侵蚀而引起的微粒污染。由钛或硅形成的电极可降低会促使离子产生效率随着时间下降的电极腐蚀的速率，但在复杂设备中最终更换受到腐蚀的电极会造成成本过高的维护要求。
因此，需要借助可易于维修且便于调节以进行偏置控制及手动平衡的低维护性设备在流动气流中有效地产生平衡的空气离子量。
发明内容
根据本发明的一个实施例，离子化模块对所施加的AC进行操纵，以有效地产生基本平衡的正及负空气离子流动流，所述离子流动流可引向带静电荷的物体、或者引入要加以中和的空气离子不平衡的环境中。离子化电极包括在最大流动速度空气流区域内制作成封闭外形形状的细金属丝，且参考电极设置于离子化电极上游及下游的大体不同的距离处，以增强离子产生效率及平衡控制。高压电源电路连接至离子化电极并加以分接以得到低压来作为偏压提供给下游参考电极。以绝缘材料制成的出口结构设置于所述流动空气流内，以帮助平衡在所述空气流中流动的正及负离子。
图1为一根据本发明一个实施例的设备及电路的示意侧面图；图2为一根据本发明另一实施例的离子产生单元的示意侧面图；图3为一曲线图，其图解说明随施加至下游参考电极的偏压而变化的出口气流中的离子流偏置电压；图4A，4B为根据本发明的离子化电极的各种实施例的正面示意图；及图5为一曲线图，其图解说明根据本发明，径流式风扇的空气流中具有可供使用的最大流动速度的区域。
具体实施例方式
现在参考图1所示的示意侧面图，图中显示风扇11，其经设置以使风扇叶片围绕在支撑外壳17的输入与输出端口13，15之间大致对齐的纵向轴旋转。离子化电极19，如在下文中所详细阐述，支撑于风扇11下游位置处的绝缘外壳17中。一对参考电极21，23支撑于通常相对于离子化电极19位于上游及下游不同距离处的绝缘外壳17中。绝缘网络结构25跨出口端口15设置，以通过其将包含正及负离子的流动空气流朝要进行静电荷中和的带电荷物体20传送。
高压电源27包括升压变压器29，升压变压器29通过电容器31将二次绕组的一个端子连接至离子化电极19、并通过可调分压器或电位计33将二次绕组的另一个端子连接至地。从分压器33中得出的可调AC电压经整流35并作为DC偏压施加至下游参考电极23。当然，一在一个极性与相反极性的高离子化电压之间重复切换的电源也可交替地激励离子化电极19。当支撑于绝缘外壳17中时，电极19，21，23均对地电绝缘。
在运行中，空气响应于风扇11围绕在入口与出口端口13，15之间大致对齐的旋转轴旋转而通过入口端口13流入外壳17中。如图5的曲线图中所示，由风扇11的径向叶片所形成的最大空气流速37出现在相对于风扇11的旋转轴的沿径向所选的位移量处。因此，如图4A，4B中所示，离子化电极19在最大空气流速度区域中设置成大致连续的细导电丝。细丝或金属丝19由钨或不锈钢或一种包括此种材料的镀金复合结构形成，其直径介于约20-200微米范围内，且较佳介于约50-60微米范围内，以在促进沿离子化电极19整个长度上的高离子化电场强度的同时提供足够的机械强度。离子化电极19在绝缘外壳17内支撑于多个绝缘支架39上，所述多个绝缘支架39形成呈大致封闭外形或多边形的离子化电极，其中其封闭区域大致垂直于入口与出口端口13，15之间的空气流方向设置的。
在图4B所示的实施例中，支架39在‘直径’37处以接近圆形的15边形构造来支撑离子化电极金属丝19，‘直径’37非常接近于出现最大空气流速度的直径。在图4A所示的实施例中，离子化电极金属丝19支撑于较少(5个)的支架39上，以形成大致设置于风扇11的最大空气流速度区内的明显不同的五角形。为了简化制作并以大致封闭的多边形构造充分地支撑离子化电极金属丝19，约5-7个支架39是优选的。在图4A所示的实施例中，设置于电极金属丝19的各端之间的弹簧41使电极金属丝围绕大致刚性的支架39保持承受张力，且在图4B所示的实施例中，一个或多个弹性支架39在其所支撑的电极金属丝19的环圈中保持承受张力。
重新参见图1，图中显示一组设置于离子化电极19上游及下游的参考电极21，23。这些参考电极21，23中的每一个电极均可包括一个或多个导电环45，47，所述导电环45，47围绕风扇11的旋转轴同心地安装于风扇产生最大空气速度的区域中。因此，如图5的曲线图中所示，同心环电极45，47可相对于风扇11的旋转轴在大约半径49，51处支撑于风扇产生最大空气流速度的区域内及周围。
应注意，根据图1中所示的电路，上游参考电极21不连接至最接近的电极19(即，处于‘浮动’电位)，且只是经由其间的分布电容松散地以电容性方式耦合至最接近的电极19。另外，上游及下游参考电极21，23中的所述一个或多个导电环45，47由直径粗得多(例如，10至100倍于离子化电极导线19的直径)的导体形成，以确保没有来自参考电极45，47的离子化。另外，上游参考电极21的位置比下游参考电极23更接近于离子化电极19。此会在与流过上游参考电极21及离子化电极19的空气流相反的方向上促成强的或高密度的所产生离子流，以增强对流动空气流内所产生离子的捕获。在施加至离子化电极19的AC高压的半个周期期间所产生的一种极性的离子朝浮动参考电极21迁移，以使电极21朝一种极性的静电压充电。不过，在所施加AC高压的另半个周期期间所产生的相反极性的离子朝浮动参考电极21迁移，以对电极21放电并使电极21朝相反极性的静电压放电并充电。
在稳态运行中，高离子电流密度在上游参考电极21与离子化电极19之间流动，以捕获于来自风扇11的在相反方向上流动的空气流内，且参考电极21上的电位朝大约零伏特下降。上游参考电极21距离子化电极19的间距设定成距离L1，距离L1比将下游参考电极23设定到的距离子化电极19的距离L2更近，以增强间距L1内的离子电流流动并提高在流动的空气流中夹带所产生的离子的效率。
下游参考电极23设定于距离子化电极19更大的距离处并可包括一个或多个具有粗的尺寸(例如10-100倍于离子化电极金属丝19的直径)的环形导体45，47，以避免形成高离子化静电场强度及由此产生离子。相反，下游参考电极23连接至包括连接于变压器29的二次电路中的分压器33及整流器35的DC偏压电源。以此方式，向下游参考电极23提供具有一种极性(通常为负极性)的DC偏压，以防具有所述一种极性(通常，因负空气离子的更大迁移率而为负极性)的离子过剩。另外，由于分压器33经连接以传导流动于变压器29的二次绕组中的电流，因此在因施加至离子化电极19的AC高离子化电压的每半个周期中的更高离子产生而有更高的电流流动于二次绕组中时，会对下游参考电极23提供更高的偏压。在稳态运行中，提供至下游参考电极23的DC偏压近似于使平衡的正及负离子量在空气流中流经下游参考电极23的电压(通常为负极性)。如图3的曲线图中所示，此种偏压可为约-230伏特，以建立正离子与负离子的零偏置或平衡流。如图3的曲线图所示，因使下游参考电极23以零施加偏压运行而产生明显的正偏置电压。因此，为获得通过下游参考电极23(与离子化电极19相隔距离L2)的所产生正及负离子的平衡流，在本发明的所示实施例中可对参考电极23施加约为-230伏特的负DC偏压。不过，可对分压器33所提供的DC偏压进行调节，以根据需要来提供由图3的曲线图中的曲线46所近似表示的各种各样的出口离子流偏置电压。一个或多个环形导体45，47(较佳为图2，3中所示的同心阵列中的2-6个导体)设置于流动空气流的最大速度区内。具有选定直径的导体45，47的数量(相对于上游参考电极21距离子化电极19的距离L1，位于距离子化电极19一距离L2的基本共用平面内)影响下游参考电极23上为在风扇11所形成的流动空气流中建立所产生的正及负离子的平衡流而需要的偏置电平。理想地，包括整流器35及分压器33的偏压电源呈现出低的对地输出阻抗，以充当静电屏蔽来防止高离子化电压辐射向外壳17外发射。
在本发明的一个实施例中，上游参考电极21定位成距离子化电极19约0.2-1.5英寸，且较佳约0.5英寸，且下游参考电极23定位成距离子化电极19约0.3-2英寸，且较佳0.6-0.75英寸，以得到处于约1.01-1.5范围内且较佳约为1.15的L2/L1之比。
现在参见图2，图中显示大体上如图1中所示但没有风扇11的空气离子化模块的侧面示意图。此种模块中的多个模块可累加并定位于流动空气中，以将所产生的离子分布到例如与无静电工作站相关联的环境中。此种模块包括类似于本文中使用类似图例编号参照1所述的对应组件的组件。下游参考电极23可包括附加同心环导体48，且高电压及偏置电源27，35可方便地加以封装，以与每一此种模块安装在一起。由绝缘材料形成的屏蔽网格54跨出口端口15设置而作为机械屏障，以防止外部物体无意中渗透到模块的内部组件及结构中。由电绝缘材料形成的此种屏蔽网格可积聚一种极性的表面电荷，然后所述表面电荷排斥及吸引具有所述一种极性及相反极性的离子，以促进所产生离子的出口流的自平衡。
因此，根据本发明的空气离子化模块或离子产生设备及产生方法沿与空气流相反的方向形成强离子流，以提高离子向空气流传送的效率。方便的偏压电路在包含这两种极性的离子平衡及离子不平衡的范围内对出口离子流的偏置电压进行调节。离子是沿细金属丝电极而不是在尖头电极处产生，从而分布于流动空气流中的整个最大空气流速度区域中。为了与带有围绕轴旋转的径流式叶片的风扇一起运行，所述细金属丝离子化电极可构造成大致支撑于与风扇叶片的旋转轴线垂直定向的平面内的封闭区多边形或圆，以增强离子产生及离子向流动空气流中的传送。
权利要求
1.一种离子产生设备，其包括外壳，其包括经构造以用于限制在入口与出口之间所流过的气体的通道；离子化电极，其设置于所述入口与出口中间的所述通道内，以在其上面接收离子化电压；第一参考电极，其设置于所述入口与电隔离的所述离子化电极中间的所述通道内；及第二参考电极，其设置于所述离子化电极与所述出口中间的所述通道内，以在其上面接收偏压。
2.如权利要求1所述的离子产生设备，其中所述离子化电极以多边多角形形式支撑于所述通道内，所述多边多角形对基本垂直于流过所述通道的气体设置的区域进行限界。
3.如权利要求2所述的离子产生设备，其中所述离子化电极包括定位于多个支撑元件之中的导电丝。
4.如权利要求3所述的离子产生设备，其中所述丝构造成环圈且所述支撑元件中的至少一者以弹性方式使所述环圈围绕所述支撑元件拉紧。
5.如权利要求3所述的离子产生设备，其包括经设置以使所述丝围绕所述多个支撑元件拉紧的弹性部件。
6.如权利要求1所述的离子产生设备，其中所述第一参考电极与所述离子化电极相隔距离L1；所述第二参考电极与所述离子化电极相隔距离L2；且距离L2大于距离L1。
7.如权利要求6所述的离子产生设备，其中L2/L1之比处于约1.01至约1.5的范围内。
8.如权利要求7所述的离子产生设备，其中所述L2/L1之比近似为1.15。
9.如权利要求1所述的离子产生设备，其中所述离子化电极包括直径为Dw的导电丝；及所述第一及第二参考电极包括具有直径为Dr的导体，所述直径Dr大于所述直径Dw。
10.如权利要求9所述的离子产生设备，其中所述直径Dw处于约20至约200微米范围内。
11.如权利要求10所述的离子产生设备，其中Dr/Dw之比处于约10至约100范围内。
12.如权利要求1所述的离子产生设备，其包括离子化电压源，其连接至所述离子化电极，以在交变的重复间隔期间向其提供具有一种极性及相反极性的电压；及偏压源，其连接至所述第二参考电极，以向其提供DC偏压来改变通过其的所产生的正及负离子之比。
13.如权利要求12所述的离子产生设备，其中所述离子电压源至所述离子化电极的连接包括连接于其间的电容器。
14.如权利要求13所述的离子产生设备，其中所述离子化电压源包括升压变压器，所述升压变压器具有用于接收提供至其的交流电流的一次绕组，并具有带末端端子的二次绕组；分压器，其将所述二次绕组的末端端子连接至接地参考，且所述电容器将另一末端端子连接至所述离子化电极；及所述偏压源连接至所述分压器，以自其接收可选交流电压，从而自其产生所述DC偏压。
15.如权利要求2所述的离子产生设备，其包括相对于所述通道设置的风扇，以用于使气流流过所述通道；所述第一及第二参考电极分别包括多个环形导体，所述环形导体设置于所述通道的横截面内其中所流过气体基本为最大速度的位置处。
16.如权利要求15所述的离子产生设备，其中所述第一及第二参考电极分别包括大致呈同心阵列形式的多个环形导体，所述同心阵列位于所述通道的横截面内所流过气体基本为最大速度的位置处。
17.如权利要求15所述的离子产生设备，其中所述离子化电极基本支撑于所述通道的横截面内其中所流过气体为最大速度的位置处。
18.如权利要求1所述的离子产生设备，其中所述离子化电极及所述第一及第二参考电极构造于所述外壳内以形成单独的模块。
19.一种在流动气流中产生离子的方法，其包括用于如下的步骤电隔离第一导电电极以通过其传送所述流动气流；将具有重复交变极性的离子化电压提供至设置于所述第一电极下游的第二导电电极，以产生在通过其的所述气流中流动的具有一种极性及相反极性的离子；及将DC偏压提供至设置于所述第二电极下游的第三导电电极，以控制所产生的在通过其的所述气流中流动的正及负离子的量。
20.如权利要求19所述的方法，其包括将所述第二电极大致定位于所述流动流中所述气体的最大速度区域内。
21.如权利要求20所述的方法，其中定位包括将导电丝以多边多角形形式安装于所述流动流中所述气体的最大速度区域内。
全文摘要
本发明提供一种用于在空气或其他气体的流动流内产生具有一种极性及相反极性的离子的空气离子化模块及方法，其包括安装于流动流内其最大流动速度区域中的细丝电极(19)。所述细丝电极安装成多边多角形构造形式，以接收具有交变的一种极性及相反极性的高离子化电压，从而形成朝向位于所述细丝电极上游的电隔离参考电极(21)的强离子流。位于所述细丝电极下游所述流动流内的另一参考电极(23)接收具有选定极性的偏压，以控制在所述离子及流动气体的出口流中所产生的正及负极性离子的量。
文档编号H01T21/00GK101088198SQ200580040571
公开日2007年12月12日 申请日期2005年9月19日 优先权日2004年9月30日
发明者彼得·格伏特尔, 斯科特·格尔基, 亚历山大·伊格纳坚科 申请人:离子系统公司