CN100590767C - 电晕放电电极及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种电晕放电装置的操作方法包括下列步骤：在至少一个电晕电极最为接近的位置产生高强度电场；以及对该电晕电极以连续性或周期性的方式，加热至一足以使该电晕电极上的杂质(诸如氧化层)其不良作用减轻的温度。

Description

电晕放电电极及其操作方法

交叉引用相关的申请

本申请的目的在于涉及由申请人在下列申请中所述的技术：于1999年10月14日申请的美国专利申请09/419,720，并于2003年1月7日颁发成为美国专利6,504,308，其发明名称为“静电流体加速器”；于2002年7月3日申请的美国专利申请10/187,983，其发明名称为“火花管理方法和装置”；于2002年6月21日申请的美国专利申请10/175,947，其发明名称为“流体流量的静电流体加速控制方法和控制装置”；于2002年7月3日申请的美国专利申请10/188,069，其发明名称为“控制流体流量的静电流体加速器及其方法”；于2003年1月28日申请的美国专利申请10/352,193，其发明名称为“控制流体流量的静电流体加速器”；以及于2002年11月18日申请的美国专利申请10/295,869，其发明名称为“静电流体加速器”，其为1998年10月16日所提交的美国临时申请60/104,573的继续申请，上述所有的申请作为整体在本文中引用作参考。

技术领域

本发明涉及电晕放电装置，具体来说，涉及利用电晕放电技术来产生离子和电场以使诸如空气、其它流体等种种流体的移动和控制。

背景技术

若干项专利(参照例如Shannon等人的美国专利4,210,847和Spurgin的美国专利4,231,766)描述了使用一电极(称为“电晕电极”)产生离子，该电极将离子加速至另一电极(称为“加速”、“集电”、或“目标”电极，除非另有规定或者自使用中前后文来看显而易见，否则这里均指上述含义)，由此给予离子朝向该加速电极的方向上的动量。离子和诸如周围的空气分子介入流体间的碰撞将离子的动量传递给流体，使流体产生相应的移动，从而在所需的流体流动方向上实现一总体的移动。

Lee的美国专利4,789,801、Weinberg的美国专利5,667,564、Taylor等人的美国专利6,176,977、以及Sakakibara等人的美国专利4,643,745也描述了用静电场使空气加速的空气运动装置。Lau等人的美国专利6,350,417和于2001年12月6日公开的2001/0048906则描述了一种清洁装置，其以机械方式清洁电晕电极，同时从壳体中移除另一组电极。

上述配置提供了某种程度的电晕电极清洁，但无法完全清除电极污染物。因而，有需要提供一种包括清洁在内的电极维护的系统和方法。

发明内容

按照本发明一方面，电晕放电装置的操作方法包括下列步骤：在电晕电极最为接近的位置产生高强度电场，以及对电晕电极其中至少一部分加热至一足以使电晕电极上的杂质其不良作用减轻的温度。

按照本发明另一方面，电晕放电装置的操作方法包括下列步骤：在多个电晕电极最为接近的位置产生高强度电场；检测出预示要启动电晕电极清洁循环的条件；停止将高电压施加于所述各电晕电极中至少一部分以便停止在该部分电晕电极产生所述高强度电场；对所述电晕电极施加一加热电流，该加热电流足以升高电晕电极之温度，从而至少部分地消除在电晕电极的所述部分上的杂质；以及重新将所述高电压施加于所述电晕电极的所述一部分，以便在该部分电晕电极继续产生高强度电场。

按照本发明再一方面，电晕放电装置包括：a)与产生高强度电场的各电晕电极连接的高电压电源；b)与各电晕电极连接以对各电晕电极进行电阻加热的低电压电源；以及c)分别将高电压电源和低电压电源与各电晕电极连接的控制电路。

按照本发明又一方面，电晕放电产生方法包括下列步骤：在电晕电极附近产生高强度电场；利用减少电晕放电的副产品产生的化学反应转变电晕电极中的一部分初始电晕电极材料；以及对电晕电极加热至一足以将电晕电极材料中已转变的部分基本上恢复返回到初始电晕电极材料的温度。

附图说明

图1所示为电晕电极电阻对电极工作时间的曲线图；

图2是将一电流施加于静电设备的各电晕电极上的系统的示意图；

图3是使用前新电晕电极的照片；

图4是处于工作过程中形成黑色氧化层以后电晕电极的照片；

图5是图2中所示的电晕电极的照片，在本发明一实施例的热处理之后氧化层经过化学还原反应转变为无氧化的银；

图6所示为氧化/还原过程的重复循环期间中电阻对时间的曲线图；

图7是按不连续方式工作的实际回扫转换器的电压电流图；

图8是包括具有银质外层的实芯材料的电晕电极的立体图；以及

图9是包括具有银质外层的空芯材料的电晕电极的立体图。

具体实施方式

已经发现现有的电极清洁系统和方法无法防止电极材料变差。还发现电晕放电外壳(例如电极的外部表面层)中发生若干不同的化学反应。上述化学反应导致对电晕电极的迅速氧化，结果是电阻值增大，其为初始值的3倍以上，如图1中所示。仅以机械方式去除上述氧化物则具有不良的效果，即电极材料的某些部分还得去除，这必然会使电极的机械完整性和性能下降。

还发现，除了电极材料纯粹的氧化以外，作为电晕放电过程的副产品还形成有其它化学沉积物。从图1可知，上述污染物不导电，因而会减少并逐步阻断电晕电流，从而阻碍或完全中止静电设备的电晕放电功能。

本发明的各实施例针对现有技术中的若干不足，其中包括现有技术装置无法清洁电晕电极上的化学沉积物，以延长电极使用寿命。举例来说，电晕放电电极表面上所形成的化学沉积物会导致电晕电流逐步减小。电极污染物的另一原因是由于初始材料(例如为诸如铜、银、钨等金属)转变为金属氧化物和其它化合物而造成电晕放电电极材料变坏。导致性能降低的另一潜在问题是由于诸如烟、毛状物等会污染电晕电极的空气中存在的污染物所造成的。上述污染物可能会导致电晕放电功能的丧失(例如减小或完全消失)和/或电晕电极和其它电极间的气隙减小。

当电晕放电装置的操作产生的副产品臭氧达到不理想、或无法接受水平时，则会出现其它的问题。臭氧公知属于一种有毒的气体，其可接受浓度最大为50ppb(50×10⁹分之一，即0.05ppm)。诸如钨这种通常用于电晕电极的材料会产生相当高的臭氧浓度，因此无法用于高功率场合即对于给定的电极几何形状、配置以及工作条件维持电晕电流接近于最大值这种场合。这种情况下，臭氧的产生会迅速超过最大的安全水平和/或允许水平。

本发明各实施例提供了一创新性技术方案，在保持臭氧处于或低于要求水平的同时，维持电晕电极无氧化物和其它沉积物及污染物。

按照本发明的一实施例，电晕电极具有一表面，该表面最好由诸如银、铅、锌、镉等容易氧化的，并减小或使装置产生臭氧的速率和/或数量减至最小的这种材料所制成。这种臭氧产生的减小可能是由于上述材料形成氧化物的焓相对较低，以致于上述材料可相对容易地贡献出氧原子。这有助于臭氧还原，即通过氧化过程(XO₂+XMe→XMeO_X，其中Me代表金属)使电晕区域的游离氧原子耗尽，并通过还原过程(O₃+MeO_X→2O₂+MeO_X-1)将氧原子贡献给臭氧。对电晕电极的附近施加高强度电场来产生电晕放电。按照本发明其中一个实施例，以周期性方式除去或基本上减小高强度电场，并对电晕电极加热至一将电晕电极材料的氧化物转变(例如“还原”)为原始的、基本上未氧化的金属所需的温度。

本发明的实施例提供一创新性技术方案，通过用例如流过电极体的加热电流对各电极进行连续性或周期性的加热，以保持各电极免于逐渐形成金属氧化物。

按照本发明一实施例，对各电晕电极以连续性或周期性方式施加电流来对各电极进行电阻加热，并使其温度升高到一足以使金属氧化物转变为原始金属(例如通过对金属氧化物的“还原”去除氧化的材料中氧)的温度水平，同时烧掉电晕电极上所形成或留存的污染物(例如尘埃、花粉、微生物等)。对于不同的材料，优选的还原和/或清除温度会有所不同。对于大多数金属氧化物而言，这种温度要高到足以同时烧掉大多数空气中存在的污染物，诸如香烟的烟雾、厨房的烟雾、或如毛状物、花粉等有机物质，典型的温度为250℃至300℃或以上。但还原电极和烧掉任何污染物所需的温度一般大大低于可加热电极加热的最高温度。举例来说，纯银的熔点为1234.93K(即961.78℃或1763.2°F)。该温度设定了该材料的绝对最高温度上限。实际上，由于电极热膨胀使导线下垂或相反、扭曲及位移，故而要规定较低的最高温度。

作为一实例，电晕电极可包括：银质导线或镀银导线，其直径例如为0.5至15×10^-3英寸(即56至27号美国规线)，较为理想的是大约2至6×10^-3英寸(即44至34号美国规线)，更加理想的为4×10^-3英寸或0.1毫米(即38号美国规线)。假定：

$R=\frac{\mathrm{\ρl}}{A}$

式中

ρ_Ag＝1.6×10^-8Ω·m

A_9awg＝π(1.14×10^-4m)²

R＝0.392Ω·m^-1

表1列出每英尺实芯银导线的电阻(导线尺寸以美国线规号表示)。

线规号	电阻(欧姆/英尺)	线规号	电阻(欧姆/英尺)
				20	0.009336	30	0.0956
21	0.01177	31	0.120692
				22	0.014935	32	0.149375
23	0.018717	33	0.189645
				24	0.023663	34	0.240867
25	0.029837	35	0.304847
				26	0.037815	36	0.3824
27	0.047411	37	0.472099
				28	0.060217	38	0.5975
29	0.074869	39	0.780408

表1

表2

表2给出对特定的导线线规号得到特定温度所需的估计电流(安培)(例如银导线，但要认识到表2包括超过银熔点1763.2°F/961.78℃的温度)，上述数值根据就类似电阻的镍铬铁合金导线可提供的数据估计。该表中所包括的温度虽远超过银的熔化温度，但所需的最高温度是基于要消除污染物、其中包括例如对任何氧化物进行还原这种需要的。对于银来说，氧化过程可由下列化学式表示：

4Ag_(s)+O_2(g)→2Ag₂O_(s)

该反应的标准态焓(DHorxn)和标准态熵(DSorxn)的变化量分别为-62.2kJ和-0.133kJ/K，这样反应是放热的，而且该反应的熵为负值。该反应中，熵项和焓项处于抵触状态；焓项使该反应倾向于自然发生，而熵项则使该反应倾向于非自然发生。因而，反应发生的温度将确定自发性。反应的标准Gibb的自由能(DGorxn)可计算如下：

ΔG⁰ _rxn＝ΔH⁰ _rxn-TΔS⁰ _rxn

代入标准态焓(DHorxn)和标准态熵(DSorxn)的变化量和标准状态温度(298⁰K)，则得到如下：

ΔG⁰ _rxn＝-62.2kJ-(298K)(-0.133kJ/K)

ΔG⁰ _rxn＝-22.6kJ

由于ΔG⁰ _rxn＜0，因而氧化反应在室温条件下是自发的：

T＝ΔH⁰ _rxn/ΔS⁰ _rxn

T＝(-62.2kJ)/(-0.133kJ/K)

T＝468K

因而，对于T＜468K，正向的氧化反应是自发的，对于T＝468K，反应处于平衡状态，而对于T＞468K，反应则为非自发的，或者就逆向反应(即对氧的还原或去除)来说，则如下面所示为自发的：

2Ag₂O_(s)→4Ag_(s)+O_2(g)

这样，加热到近200℃氧化银将开始转变成银，而更高的温度将进一步促进该反应。与此同时，更加高的温度会通过将诸如尘埃和花粉这种其它污染物加热到其燃烧温度(对于许多病原体和其它污染物来说为例如250℃或以上)来消除上述污染物。

如上所述，电晕电极通常由细导线制成，因而不需要相当大的电功率将其加热到所需的高温，例如高达300℃或以上。另一方面，高温导致电极膨胀和导线松弛。松弛的导线会振荡，并产生火花或不希望的噪声。为了防止这种情形，可以拉紧各电极，例如由一个或多个弹簧加上偏压使各导线维持张力。此外，可采用加强筋，并配置成缩短导线部分以防止振荡。再又，产生高电压的电晕可以在至少加热电极的一部分时间内减少或消除。这种情况下，消除高电压则可防止导线振荡和/或产生火花。

消除产生高电压的电晕造成某些技术过程装置的正常操作即诸如流体(例如空气)加速和清洁中发生相应的中断。这种操作的中断可能是不希望的，和/或说，在某些情况下是不可接受的。举例来说，甚至是较短的时间发生中断都可能是无法接受的，系统的正常操作往往是消除和杀灭危险的病原体或防止微粒进入敏感区域。这样一些情况下，较理想的是采用若干级空气净化设备(例如级联式或串联式多级)来避免多级中的某一级清洁期间关键性的系统操作中断，或有选择地使特定级的付组的电极中断其正常操作，以致于降级运作但不中断。因而，待处理的空气通过空气净化设备的若干串联配置级中的每一级。任何给定时间可使该设备中的单一级不工作进行自动维护消除污染物，而有余下的各级继续进行正常的工作。另外，有选择地对一级中的某些部分电极进行清洁，而该级余下的各电极则继续正常运作，可提供足够的空气净化，装置操作便按可能是降级但可接受的方式继续运作。

对于更为先进的空气净化系统来说，可以采用高级和/或智能化的管道系统。这样一种系统中，空气可以通过若干个大体上并行的管道，即通过其中若干个但并非全部管道，每一管道包括一静电空气净化设备。这样一种系统中，较理想的是包括逻辑控制和空气处理/选定路线机构，以确保空气通过至少一组空气净化电极，以便提供任何所需水平的净化空气。如上面所列的本案申请人先前的美国专利申请中所述的那样，可以由静电空气处理设备来实现空气的选定路线。

对各电极的电加热要求对各个电极所施加的电功率进行适当控制。但各个电晕电极的电阻可能彼此不同。由于电极的最终温度是所施加电能(或其它形式能量)的净值的函数，并最后转化为热能(减去损耗的热能)，电极温度与所损耗的净值电功率有关。因而，理想的是控制施加到电极上的电功率量，而分别调整电压和/或电流。换言之，对电极导线施加一定电压或电流将不需要保证有所要求量的功率将在电极中损耗，以便产生所要求热量和温度升高。

电功率P等于

P＝V²/R＝I²×R

式中P以瓦特或焦耳/秒为单位来表示。

对于起初与环境空气及其周边环境保持热平衡的直径为D和每单位长度的电阻为R的长导线来说，下列公式给出电流通过期间导线温度的变化：

${\stackrel{\·}{E}}_g={\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{out}}+{\stackrel{\·}{E}}_s$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{E}}_g=I^2\mathrm{RL}\\ {\stackrel{\·}{E}}_s=\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρCVT}\right)\≡\mathrm{\ρCV}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ρC}\left(\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\right)L\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{conv}}+{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{rad}}=h\left(\mathrm{\πDL}\right)(T-T_{\∞})+\mathrm{\ϵ\σ}\left(\mathrm{\πDL}\right)(T^4-{T^4}_{\mathrm{surr}})\end{array}\right.$

式中

对导线进行电阻加热所产生的能量；T_∞：流体温度；

导线中贮存的能量；              T_surr：环境温度；

E_out：由一控制容积以外的流体(如空气)所输送的

能量；                      L：导线长度；

I：电流；

对流形成的热传递；

R：电阻；

辐射形成的热传递；

ρ：密度；                  h：流体的热传递系数；

C：比热；                   D：导线直径；

V：导线容积；               ε：导线表面发射率；以及

T：导线表面温度；           σ：斯忒芬-波尔兹曼常数：

                            5.67×10^-8W/m²·K^-1

得到：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{I^{2}R-\mathrm{\πDh}(T-T_{\∞})-\mathrm{\πD\ϵ\σ}(T^4-{T^4}_{\mathrm{surr}})}{\mathrm{\ρC}(\mathrm{\π}{D}^2/4)}$

还可进行如下计算，使一物质升温所需的热能，忽略热量损耗：

P＝Δt(Cp×ρ×V)

式中P以瓦特为单位，Δt是温度变化以开尔文度(或摄氏度)为单位，Cp是比热，以焦耳每克-开尔文度为单位，ρ是密度，以克每立方厘米为单位，而V是容积，以立方厘米为单位。

对于银来说，Cp＝0.235J/gK，ρ＝10.5g/cm³，V＝截面积×L。

举例来说，28号美国线规的银质导线所制成的电晕电极具有截面积8.1×10^-4cm²，导线升温到300℃将需要下列功率：

P＝300K°(0.235J/K°×10.5g/cm³×8.1×10^-4cm²)

P＝6.00×10^-2W/cm

为了计算提供此功率所需要的电流，需先计算加热到300℃时导线的电阻：

$R=\left[\frac{\mathrm{\ρL}}{A}\right][1+\mathrm{\α\Δt}]$

$R=\left[\frac{1.64\×{10}^{-6}\mathrm{\Ω}-\mathrm{cm}-L}{8.1\×{10}^{-4}{\mathrm{cm}}^2}\right]\×[1+(0.0061\×300)]$

R＝3.701×10^-3Ω/cm

求解电流I：

$I=\sqrt{\frac{P}{R}}$

$I=\sqrt{\frac{6.00\×{10}^{-2}W}{3.701\×{10}^{-3}\mathrm{\Ω}}}$

I＝1.27A

此数值假定没有热量损耗。考虑到与流体周围的传导所带来的热量损耗以及辐射热量损耗，实际电流高于表2所示电流。

实际情况下，传热或热损耗基于下列多方面因素，其包括：

(1)导线表面积

(2)损耗功率

(3)气流速率

(4)导线颜色

(5)温度

(6)如在封闭环境下的热量积聚

(7)某些次要因素

下列3组公式仅考虑上述因素中的某些因素。

通过传导进行传热

A      ＝接触表面积(平方英尺)

d      ＝深度(厚度)(英寸)

H      ＝热流量(Btu(British Thermal Unit，英国热量单位)/h)

k      ＝传导系数(Btu-in./h-ft²-°F)

(t_H-t_L)＝温差(°F)

H      ＝kA(t_H-t_L)/d

通过对流进行传热

A      ＝接触表面积(平方英尺)

H      ＝热流量(Btu/h)

h      ＝对流系数(Btu-in./h-ft²-°F)

(t_H-t_L)＝温差(°F)

H      ＝hA(t_H-t_L)

通过辐射进行传热量(或损耗)

A      ＝接触表面积(平方英尺)

H      ＝热流量(Btu/h)

T      ＝绝对温度(K)

e      ＝辐射系数

H      ＝0.174E-08eAT⁴

由于变量多，故而准确的功率计算很困难、很复杂。相反，因为对功率和温度的测定较容易，较为理想的是使用基于比电阻热系数的实验技术，来计算导线温度和确定功率需求，例如通过测定以每英寸导线长度的所需功率损耗(瓦特)。举例来说，本发明的优选实施例采用的是直径大约为4×10^-3英寸或0.1毫米(38AWG)的导线，以每英寸长度用1.5W加热。本实施例采用镀银导线，其具有较高电阻材料制成实芯或空心，较好是一金属，诸如不锈钢、铜，或者，更加理想的是一种合金，例如

(NiCrFe：Ni76％；Cr17％；Fe7％；ρ＝103μΩ-cm)。其它芯材料可以包括镍、科瓦铁镍钴合金、杜美丝(铜包镍铁丝)、铜镍合金、镍铁合金、镍铬合金、不锈钢、钨、铍铜、磷铜、黄铜、钼、锰镍铜合金。可以选择镀银来提供合适的总体电阻，其厚度约为1微英寸(即10^-6英寸或0.025微米)至1000微英寸(即10^-3英寸或25微米)。举例来说，可以在44号线规导线镀上厚度为5至33微英寸(即近0.1至0.85微米)的银镀层，对27号线规采用25至200微英寸(即近0.5至5微米)的镀层，对更为优选的38号，线规银镀层厚度为10-55微英寸(即近0.010至0.055×10^-3英寸或近0.25至1.5微米)。采用每英寸1.5W功率，则20”长度的导线需要30W功率以获得合适的峰值温度，而40”长度的导线会消耗60W，虽然这些数值可能随上面所述的参数和因素而有所不同。但总体而言，每英寸导体所施加的功率越高，氧化物的还原过程进行得越迅速。举例来说，在每英寸1W功率下，氧化物的还原需要近40秒钟，而在每英寸1.6W下，该时间减少为近3秒钟。

如上所述，可以知道由电极所损耗的功率取决于电极的电阻，其数值变动所基于的众多因素包括：电极的具体几何形状、污染物和/或存在杂质、电极温度等。由于重要的是所损耗的一些功率量大体上与电极的电阻和其它特性无关，本发明的一优选实施例提供一种预定量电能的给予方法及装置。这可以通过将具有某个频率f的电能P₁存储并释放到电极中来实现。所损耗的电功率P等于P＝P₁×f。可以采用例如电容器来实施电荷的累积，或采用例如电感器来累积磁能，并将该贮存的能量释放到电极中。通过采用这样一种方法和配置，很容易控制这种放电频率和能量数量。

按照一优选实施例，按不连续方式工作的回扫转换器可以用作一合适、相对简单的装置来产生固定量的电功率。举例来说，参见Russell的美国专利6,373,726、Kalinsky等人的美国专利6,023,155、以及Faulk的美国专利5,854,742。回扫电感器所累积的磁能W_M＝LI²/2，式中I＝电感器绕组的最大电流值，L＝电感器的电感。每秒多次释放至负载的能量等于电功率P＝W_M×f。假定回扫转换器按不连续方式运作，注意释放和施加到电极上的电能与电极的电阻无关。合适的回扫电感器设计允许对大范围的电极电阻按这种方式运作。

该过程所产生的功率消耗和热量散失正是本发明实施例所针对的问题。采用大量电晕电极的静电设备为了对电极作合适的加热需要施加大量电功率。尽管需要相当较短的加热循环期来清除电极的污染物并将氧化层转变成其原始的化合物，但这种通常按秒计的时间是重要的，因而可能需要较大的相对成本高的电源。所以，对于大系统而言，可以优选将电晕电极分为若干部分，并按照顺序对各个部分进行加热。这会明显减少功率消耗，以及降低加热装置的成本，并使峰值功率消耗减至最小。上述部分可以是分开的电极组，或可以包括彼此间散开的电极组，以便使热量在装置的某一位置处积聚减至最小，并增强散热。此外，特定部分的电极分组可以通过使热量损耗减至最小和使电晕电极温度升至最高得以较充分地使用热能。

将电晕电极划分为多个加热部分，这需要提供与电力变换器(即用来对电晕电极提供电阻加热电流的电源)连接的开关装置以按顺序或组合方式对各电晕电极提供电力。举例来说，根据使用直径为0.1毫米的镀银钨芯导线每英寸施加上1.6W电能的优选实施例，如果该系统具有30条电晕电极，每一电极分别长12.5英寸，以致于每一电极需要20W用于加热，则有几种选择。一种方案是同时对全部30条电晕电极供电。电晕电极可以按并联或串联方式连接，籍此形成一种同时提供电流流过全部电极的电路。本例中，对于加热循环时间来说，需要600W的加热功率。尽管加热循环时间短，但这种相当大的功率需要相当大、较高成本的电源。

一种减少加热功率需求的方案是将该系统分为30条独立的电晕电极。这种配置会要求对30条电极中的每一条的至少一个末端进行分开连接，以便将选择的电力施加到每一条电极，即一次一条电极。这样一种配置需要开关机构和程序来轮流使每一电晕电极与加热电源连接。这样一种机构可以是机械方式或电子方式的设计。举例来说，该开关机构可以包括使电流每次送至一条电极的30个独立的开关或具有逻辑控制(即可编程的微控制器或微处理器)的某种开关组合。通过每次对一条电极施加加热电流，使对电源的要求降至最小(以增加开关及线路结构的费用)，本例中所需要的最大功率或峰值功率为20W。这种配置的另一好处是，加热功率更为均匀地分布到每一条电极。

应意识到，当加热功率同时施加到多条(对于本例而言为30条)并联的电极上时，由于其各自的电阻不同，某些电极会比其它电极消耗更多的功率。因而，在功率分配方面不是要妥协，就是需要另外的电路对各电极加上的功率进行调节。若使用的是串联配置，便不需要这幺做。反之，分别将加热功率施加在每一条电晕电极上，则在本例中需要多个(即本例中多达30个)开关以及另一控制装置以分别连接每一条电极。而且，由于电晕电极是分开(例如顺序地)加热的，实施此项过程所需的总时间在本例中比同时清洁方法增长30倍，其中对全部电极以并联进行加热。

本发明的另一实施例包括居于前所述的配置中间的加热布局。具体来说，本例中电晕电极可以划分为若干组、例如5组电晕电极，每一组包括6条电晕电极。这需要120W加热功率(即与全部30条电极同时加热所用的30×20W＝600W相比，为该功率的五分之一)，但完成整个加热循所需的时间要比同时电极加热情形下长5倍。因而，对于任何特定的电极配置和工作要求，最优配置将取决于诸如下面所列的多项因素：

(i)可提供的最大加热功率；

(ii)对流体的短期加热或连续加热的容许度/需要性；

(iii)开关配置及成本和热功率分配；以及

(iv)对各分组电极清洁动作期间设备的连续性要求。

进一步注意到，加热功率、加热所需时间、以及加热循环之间的周期时间对于特定电极而言可以在该电极的整个工作寿命范围内变化以便有效消除污染物。完成加热循环之前和之后的电极表面状况在整个周期时间内会发生改变，这些变化由事先可能难以预计或调节的种种因素造成。电极清洁或加热算法所用的优选控制方法可以调节若干因素、利用种种算法等来确定并实施合适的电极加热协议。该协议可以考虑和/或监测一个或多个因素和参数，其中包括例如电极几何形状、流体流速、材料电阻、电极老化程度、以前循环的持续时间、先前的清洁循环完成后至当前的时间、流体周围环境温度、包括加热速率和冷却速率在内的所需的加热温度控制等。

因而，根据本发明一个实施例，对功率和加热循环初始化的控制可以响应某些表示电极污染程度的可测定参数。这些参数可以是可观察的条件(例如电极的光反射率或某些辐射的其它形式)、或诸如特定电晕电极的电阻(例如每一单个电极、一个或多个代表性样本或控制电极等)这种电学特性、或某些合成电阻测定结果(例如某些电晕电极组的总电阻等)。举例来说，已经注意到电极的电阻对电极的氧化率和/或氧化程度、进而对电极加热的适当时间均具有良好的指示作用。采用一些方法可以根据电极电阻(例如电极电阻增加某一百分比、或按先前测定的初始电阻以上某个固定或可变的阈值增加)进行实际初始化和控制。其中一种方法可以要求在正常的电晕发生期间且没有中断之下监测电极电阻。这种情况下，可以使小电流选择地流过电极，并可以测定该电极两端相应的电压压降。该电阻可以以该电极两端的电压压降与通过电极的电流之比来计算。作为另一可选方案，可以使预定的电流选择地流过孤立的电极。随后可以根据电极两端的电压压降计算出电极电阻。

举例来说，假定特定的电晕电极在某一给定的温度下(例如在正常工作条件下)的直流电阻为10欧姆。随着在电极上形成氧化层，电极的电阻在本例中在设备某一工作时间趋于升到高达20欧姆。根据连续的监测实施例，使诸如10mA的恒定电流通过该电极。随着电极电阻增大，电极两端的电压压降也会增大，最终到达200mV，其中电流为10mA，电阻为20欧姆。响应例如比较器或其它器件对200mV压降的检测，可以启动一加热步骤来清洁(各)电极并将任何已氧化的材料还原为原始的(或接近原始的)无氧化状态。该方法可供一简单但有效的控制程序之用以在设备工作期间提供优化的加热配置。

某一负载上所施加的恒定功率(本例中为各电晕电极)规定负载(电极)的电阻为有限数值。若电阻达到较高数值的话，该电阻两端的电压必须同样很高，以提供相同水平的加热功率。若使电源的连接从一组电极切换为另一组电极的开关器件在上述连续连接之间有时间延迟或间隔以致于暂时存在一开路，上述情形可能会发生。适当的连接应给出零时间间隔或有两组电极或多组电极同时与加热电源连接的时间重迭。

应注意，若电晕技术用于利用电晕放电移动介质(例如诸如空气这种流体)的话，电晕电极便会处于所通过的介质例如空气的影响下。因而，当空气速度(即广义而言的离子风速率)为最小、甚至为零时，可以达到各电晕电极的某一最高温度。也可以通过改变或控制加热功率和空气流速(即加热和离子风速率)两者的组合来实现电晕电极的加热。对于本例而言，假定每条电极的加热功率为20W，用于将该电极加热至足以使氧化物(假定仍为空气)逆转的温度(例如250℃-300℃)、即加热功率足以完成化学还原以使从电极上氧释放和消除，由此逆转先前的氧化过程，以致于消除各电极上形成的氧化层。当空气速率升高到例如3m/s时，因电极加热所产生的温度升高(例如250℃-20℃周围环境＝230℃)下降到无离子风温度和/或变化速率的一半。因而，可以通过在电晕电极和集电极之间施加或多或少数量的加速高电压从而控制减小的空气速率或广义而言的离子风速率，来控制和/或调整电晕电极的温度。应该意识到，加速电压(即电晕电极和集电极之间，后面也称为目标电极，换言之，为阳极和阴极之间)和加热功率之间的任何比值(由任何现有手段向电晕电极提供的)，落在本发明范围内。但该比值在设备工作期间变化时获得最好结果。

图2是静电设备201的示意图，例如一个或多个先前引证的专利申请中所述的静电流体加速器、或包括一个或多个电晕放电电极(或简言之为“电晕电极”202)的类似设备。高电压电源(HVPS)207与各个电晕电极202连接以便在电极附近产生电晕放电。具体来说，HVPS 207对电晕电极202提供几百或几千伏电压。加热电源(HPS)208提供较低电压(例如5-25V)，用于对电晕电极202进行电阻加热的恒定功率输出(例如1.5或1.6W/英寸)。尽管为了便于说明图中所示为9个电晕电极，但电晕电极202的配置可以包括任何适当数量的电晕电极。全部电晕电极与HVPS 207的各输出端连接。HVPS 207的其它末端(图中未示)可以与任何其它电极、例如集电极连接。电晕电极202的第一端部由总线203连接在一起，而其它每个端部则与各自的开关209连接，通过该开关提供来自HPS 208的电力。具体来说，全部开关209与HPS 208中一个末端连接。HPS 208另一末端与电晕电极202的公共点、例如如图中所示的总线203连接。虽然一般所述为常规的机械方式开关，但对于开关209可以采用任何适当的开关或电流控制设备或机构，例如可控硅(SCR)，晶体管等。

如下所述为一操作方式。首先，全部开关209打开(未连接HPS 208)。该正常的操作方式中，HVPS 207产生一高电压，其足以使电晕电极202正常运作以产生电晕放电，籍此以所需的流体流动方向加速流体。控制电路210周期性切断HVPS207，使HPS 208启动并通过导线205和206和开关209与一个或多个电晕电极连接。举例来说，某一时间连接有一个电晕电极的话，便仅有一个开关209导通，而剩余开关则断开。开关209中的一个合适的开关处于导通位置足够时间以将金属氧化物转变还原为原始金属。该时间可以由实验就特定的电极材料、几何形状、配置等进行确定，并包括达到所要求的某一温度以使电极回复到形成任何氧化层之前所存在的接近原始状态。某些预定事项(例如经历过一段时间，电阻、电极温度下降等)之后，这些事项将表明特定电极或共同加热的电极组的加热循环完成，对应的开关关断，而其中另一个开关209启动处于其接通位置。若利用恒定电源的恒定电流提供加热电流的话，较为理想的是包括依次进行的各加热级的各导通状态间略微的时间重迭，例如提供“通后再断”的开关配置来避免开路状态，其中电源在某一限定的开关期内不与相应的负载连接。开关209可以按任何顺序动作处于导通和断开状态，直到全部电晕电极受到加热。此外，可以采用某些操作顺序来优化清洁操作和/或电晕放电操作。一旦完成最后电极的加热循环，控制电路便将该最后的开关209关断，并使HVPS 207能够重新启动正常的操作来支持电晕放电功能。

虽然在正常设备操作重新开始之前业已按照完成所有电极的清洁循环对其操作进行了说明，但也可以采用其它流程。举例来说，正常的设备操作可以不必在全部电极的加热循环之后才重新开始，以致于正常的设备操作为较短、而停止频度较高的清洁操作。这可以具有这样的好处：若全部电极依次清洁的话，便可以减少局部加热问题。根据本发明实施例，其中加热循环还响应除了时间限制以外的某些标准(例如对高电极电阻的检测)，应预料到全部电极会同时显示可以开始清洁循环这种标准是不可能的。因而，可行的是根据需要以对正常设备操作的较短中断来完成清洁。

此外，可以仅对正处于清洁中的那些电极中断正常操作，而使其它电极继续操作。还可以提供和使用合适的电路以使施加加热电流(或相反施加功率)能够产生热能，而同时且连续的施加来自HVPS 207的电力使某些电极进行正常电晕放电操作。此外，例如作为加热、通风及空气调节(HVAC)功能的一部分，需要对空气加热的话，可以将清洁过程结合到正常的电加热功能中。

电晕电极202可以是各种组合物且具有不同构形和几何形状。举例来说，电极可以是单一金属诸如银制成的细导线，或中心芯材料为一种物质(例如高温金属诸如钨)并涂有例如臭氧还原金属如银这种外层(下面结合图8和图9进行说明)。复合结构中，可以对芯材料和外层材料进行选择来给出适当的总体电阻和不需要过大电流的电极电阻加热。也可以考虑热膨胀以避免电极在加热期间变形，并使各个清洁循环期间对导线的重复加热和冷却所引起的由应力疲劳所造成的断裂减至最小。

实际测试结果示于图3-图5。具体来说，图3所示为一种新电晕电极，其包括镀银的导线，即在不锈钢线芯上有一层银金属外涂层。可以看出，该导线具有光泽，甚至表面很少有氧化物或其它可见的污染物。

图4是图3所示的导线在电晕电极工作72小时之后摄取的照片。可以看出导线的表面，由于银涂层的氧化而明显变暗。可以预期，若导线工作产生电晕放电足够长时间的话，全部的银会转变为氧化银。这最终对电极的工作带来不良影响，可能导致电极芯材料以及整个电极变性和/或耗损(以及断裂)。

图5是相同导线以适当电流加热之后的照片。可以观察到，导线的表面由于氧化银层通过除氧还原成分子银，从而恢复光泽。该转变层完全覆盖导线。电学测量结果表明，该银涂层基本上恢复到其原始无氧化状态。

图6所示为电晕电极(导线)电阻和时间的曲线图。如图中所示，电晕导线电阻在第一个2小时工作期间从近648毫欧姆增加到660毫欧姆(作为一实例说明的工作/加热循环的平均周期时间长度约为31/3小时)，而且每个上述循环结束时加热30秒至200-300℃范围的温度。作为初始加热循环的结果，电晕导线电阻明显减小到初始电阻648毫欧姆以下水平，下落到近624毫欧姆。因而，本发明实施例提供比新的、未处理过的电极导线所显示出的特性低得多的电阻。后续的工作/加热循环导致电极电阻的恢复到近似等于或略微大于每一工作循环的初始时刻的电阻(例如每个工作循环期间的电阻增大清除80％、通常为90％至95％或以上)。重复该工作/加热循环，仅是电阻随时间逐步增大，电阻为完成各电极的清洁循环或电极还原循环所观察到的。

图7是典型的回扫转换器输出功率和负载电阻的曲线图。负载电阻虽远超出所预期的电阻变化范围，但输出功率仍处于确保适当的电极加热并使电极温度升高到进行材料恢复(还原)所需温度这种范围。对于回扫转换器的具体细节，可参照例如Russell的美国专利6,373,726、Kalinsky等人的美国专利6,023,155、以及Faulk的美国专利5,854,742。

图8是本发明实施例电极800的剖面立体图。基本上圆柱形的导线包括实心的内芯801和外层802。较为理想的是电极由这样一种金属制成，该金属可以承受多次的加热循环，而不会造成物理或电学方面的变性(例如发脆)，所显示的热膨胀系数与构成外层802的材料兼容，而且与外层802粘结。内芯801也可以包括较高电阻的材料来支持对导线和覆盖的外层802进行电阻加热。适合内芯801的材料包括不锈钢、钨，更加理想的是一种合金，诸如

(NiCrFe：Ni 76％；Cr 17％；Fe 7％；ρ＝103×10^-6Ω-cm)。其它芯材料可以包括镍、科瓦铁镍钴合金、杜美丝(铜包镍铁丝)、铜镍合金、镍铁合金、镍铬合金、铍铜、磷铜、黄铜、钼、锰镍铜合金。根据本发明的优选实施例，外层802是镀银层，尽管先前说明过可以采用其它金属诸如铅、锌、镉及其合金。所示的电极800基本上呈圆柱形的几何形状，但也可以采用其它几何形状，其中包括那些具有光滑外表面(例如圆锥剖面)、多边形剖面(例如实心矩形)以及不规则表面的几何形状。

根据图9所示的另一实施例，电极900包括一中空内芯，其包括一管状部分901，其中心、轴向有一空间902。该管状部分901其它方面类似于内芯801。外层802例如银质的外层覆盖该管状部分901。

本说明书中不仅叙述了本发明的优选实施例，而且叙述了一些其通用性的实例。应理解，本发明可用于各种其它组合和环境，并可以在本文中所述的发明构思的范围内进行变化和改型。举例来说，虽然根据本发明一个实施例，业已叙述直接施加电流作为一种实现电极加热的手段，但也可以用其它加热手段，举例来说，其中包括可以使用其它形式的连接在电极结构中感应电流(例如电磁感应涡流加热、电极辐射热、微波加热、以及将电极置于高温中等)。此外，应注意和理解，本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均表明本领域所属的技术领域的技术水平。全部出版物、专利和专利申请在本文中引用作考虑，在程度上与每一种出版物、专利或专利申请分别且具体地表示为以其整体引用作参考相同。

Claims (27)

1.一种电晕放电装置的操作方法，其特征在于所述的方法包括下列步骤：

在电晕电极最为接近的位置产生高强度电场；以及

对电晕电极的至少一部分加热至足以使所述电晕电极上之杂质的不良作用减轻的温度，

其中所述产生高强度电场的步骤和所述加热步骤不重迭。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述电晕电极的所述部分包括一金属或合金，所述金属或合金包括一种选自由银、铅、锌和镉组成的组的金属。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述电晕电极的所述部分加热到由下式给出的温度T：

T＞ΔH⁰ _rxn/ΔS⁰ _rxn

式中Δ⁰ _rxn和ΔS⁰ _rxn分别是电晕电极的表面材料在氧化过程之标准态焓(DHorxn)和标准态熵的变化。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述产生高强度电场的步骤包括对电晕电极施加足以由电晕电极引起电晕放电之电压的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述加热步骤是周期性进行的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述电晕电极的所述部分包含一种在空气中氧化的金属和/或包含这种金属的合金。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述加热步骤包括监测电晕电极的特性并据此加热电晕电极之所述部分的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述特性是电晕电极或该电极之一部分的电阻率。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述特性是电晕电极或该电极之一部分的电导率。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述加热步骤包括根据对电晕电极的预定电学特性的检测，停止对电晕电极加热的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述电学特性包括一种选自由电阻率、电导率、谐振频率和电磁磁化率组成的组的特性。

12.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述周期性加热步骤包括测定最近一次加热循环以来的一段时间并根据经历的一段预定时间对电晕电极之所述部分加热的步骤。

13.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述周期性加热步骤包括测定当前加热循环的一段时间并在经过一段预定时间后停止该当前加热循环的步骤。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于包括下列步骤：在启动所述加热步骤之前停止所做的步骤；以及一旦完成周期性加热步骤便重新启动产生所述高强度电场的步骤。

l5.一种电晕放电装置的操作方法，其特征在于包括下列步骤：

在多个电晕电极最为接近的位置产生高强度电场；

检测出预示要启动电晕电极清洁循环的条件；

停止将高电压施加于所述各电晕电极中至少一部分，以便停止在该部分电晕电极产生所述高强度电场；

对所述电晕电极施加一加热电流，该加热电流足以升高电晕电极之温度，从而至少部分地消除在电晕电极的所述部分上的杂质；以及

重新将所述高电压施加于所述的电晕电极的所述部分，以便在该部分电晕电极继续产生高强度电场，

其中所述产生高强度电场的步骤和所述加热步骤不重迭。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述多个电晕电极分为多个所述部分，并在每一所述部分重复所述施加加热电流的步骤。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于将所述高电压重新施加于电晕电极的每一所述部分的步骤之前，对全部电晕电极实施将所述的加热电流重复施加于电晕电极之每一部分。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述的多个电晕电极分为多个部分，对每一部分的电晕电极按序列进行如下步骤：停止施加高电压；施加加热电流；以及重新施加所述高电压，以便切断所述的高电压以及在任何一个时刻将所述加热电流施加于电晕电极的单一部分，而其它部分则继续对其施加所述高电压。

19.一种电晕放电装置，其特征在于所述的电晕放电装置包括：

a)与在电晕电极最为接近的位置产生高强度电场的各电晕电极连接的高电压电源；

b)与所述各电晕电极连接以对各电晕电极进行电阻加热的低电压电源；以及

c)交替地将所述高电压电源和低电压电源施加到各电晕电极的控制电路。

20.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述电晕电极包括一种选自由银、铅、锌、以及镉所组成的组的表面材料。

21.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述低电压电源配置成使电极加热达到由下式给出的温度T：

T＞ΔH⁰ _rxn/ΔS⁰ _rxn

式中ΔH⁰ _rxn和ΔS⁰ _rxn分别是所述电晕电极的一表面材料的氧化过程的标准态焓(DHorxn)和标准态熵的变化。

22.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述的电晕放电装置还包括一定时器，所述控制电路按照所述的定时器周期性地对各电晕电极施加所述的低电压。

23.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述控制电路包括一开关。

24.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述的电晕放电装置还包括一测量电路，其配置成提供所述各电晕电极的状况指示，所述控制电路按照所述的指示，对各电晕电极施加所述的低电压。

25.如权利要求24所述的电晕放电装置，其特征在于所述测量电路指示出各电晕电极的电阻。

26.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述低电压电源配置成把一受控的电功率值提供给各电晕电极。

27.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述低电压电源配置成把一受控的电磁能周期性地累积并释放给所述的电晕电极。

28.如权利要求19所述的电晕放电装置，其特征在于所述低电压电源包括回扫功率变换器。

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