(57)【要約】  流体を扱うための装置は、コロナ放電装置および電源を含む。コロナ放電装置は、予め定められた範囲内で電極間キャパシタンス合計をもたらすように、互いに近接して位置決めされる少なくとも１つのコロナ放電電極および少なくとも１つのコレクタ電極を含む。電源は、コロナ電流がコロナ放電電極とコレクタ電極との間を流れるようにするために、電力信号を前記コロナ放電電極およびコレクタ電極に供給するように接続される。発生される電力信号の電圧の交流成分の振幅は、電力信号の電圧の一定の成分の振幅の１０分の１以下である。電圧の交流成分は、前記電圧の一定の成分の振幅によって除算される電圧の最も高い高調波の交流成分の振幅の比率が、コロナ電流の一定の成分の振幅によって除算されるコロナ電流の交流成分の最も高い高調波の振幅の比率を大幅に下回る、つまり（Ｖac／Ｖdc）≦（Ｉac（Ｉdc）であるような振幅および周波数を有する。
2007513765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を扱うための装置であって、
少なくとも１つのコロナ放電電極および少なくとも１つのコレクタ電極を含むコロナ放電装置と、
コロナ電流Ｉtが前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間を流れるようにするために前記電極間に電圧Ｖtを印加することによって電力信号を供給するように前記コロナ放電電極およびコレクタ電極に接続される電源とを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、
【数１】
2007513765.tif 000011
であるように電流リップルの値Ｉa.c.／Ｉd.c.は電圧リップルの値Ｖa.c.／Ｖd.c.に関連し、Ｃ≧２である、装置。
【請求項２】
Ｃ≧１０である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
Ｃ≧１００である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
Ｃ≧１０００である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電圧の前記交流成分Ｖa.c.の周波数は、可聴音レベルを十分に超える主周波数を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電圧の前記交流成分Ｖa.c.の周波数は３０ｋＨｚを超える範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記電圧の前記交流成分Ｖa.c.の周波数は５０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記電圧の前記交流成分Ｖa.c.の周波数は約１００ｋＨｚである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記電力信号の前記電圧の前記一定の成分の前記振幅は、１０ｋＶから２５ｋＶの範囲内である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記電圧の前記一定の成分Ｖd.c.の前記振幅は１ｋＶより大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記電力信号の前記電圧の前記一定の成分Ｖd.c.の前記振幅は約１８ｋＶである、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記電力信号の前記コロナ電流の前記交流成分Ｉa.c.の前記振幅は、前記電力信号の前記一定の電流成分Ｉd.c.の前記振幅の１０倍以下であって、
前記電力信号の前記一定の電流成分Ｉd.c.の前記振幅は、前記電力信号の前記コロナ電流の前記交流成分Ｉa.c.の前記振幅の１０倍以下である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記電力信号の前記電圧の交流成分Ｖa.c.の前記振幅は、前記電圧の前記一定の成分Ｖd.c.の前記振幅の１０分の１以下である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記電力信号の前記電圧の前記交流成分Ｖa.c.の前記振幅は１ｋＶ以下である、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記コロナ電流の前記一定の成分Ｉd.c.は少なくとも１００μＡである、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記コロナ電流の前記一定の成分Ｉd.c.は少なくとも１ｍＡである、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記コロナ放電電極間の無効キャパシタンスは、１０ＭΩ以下である、前記電圧の前記交流成分の周波数の最も高い高調波に対応する容量性インピーダンスを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
コロナ電極の電位は接地電位に近い、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
コロナ放電電極の電位は前記接地電位の±５０Ｖ以内である、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
コレクタ電極の電位は接地電位に近い、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
コレクタ電極の電位は前記接地電位の±５０Ｖ以内である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記コロナ放電電極または前記コレクタ電極のいずれの電位も接地電位に近くない、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記コロナ放電電極および前記コレクタ電極の両方の電位は、前記接地電位とは異なって、少なくとも１０Ｖである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記コロナ放電電極および前記コレクタ電極の両方の電位は、前記接地電位とは異なって、少なくとも５０Ｖである、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
流体を扱うための装置であって、
少なくとも１つのコロナ放電電極および少なくとも１つのコレクタ電極を含むコロナ放電装置と、
コロナ電流Ｉtが前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間を流れるようにするために前記電極間に電圧Ｖtを印加することによって電力信号を供給するように前記コロナ放電電極およびコレクタ電極に接続される電源とを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、Ｖa.c.＜＜Ｖd.c.およびＩa.c.〜Ｉd.c.である、装置。
【請求項２６】
流体を扱うための装置であって、
少なくとも１つのコロナ放電電極および少なくとも１つのコレクタ電極を含むコロナ放電装置と、
コロナ電流Ｉtが前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間を流れるようにするために前記電極間に電圧Ｖtを印加することによって電力信号を供給するように前記コロナ放電
電極およびコレクタ電極に接続される電源とを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、Ｖa.c.＜Ｖd.c.およびＩa.c.＞Ｉd.c.である、装置。
【請求項２７】
流体を扱うための装置であって、
少なくとも１つのコロナ放電電極および少なくとも１つのコレクタ電極を含むコロナ放電装置と、
コロナ電流Ｉtが前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間を流れるようにするために前記電極間に電圧Ｖtを印加することによって電力信号を供給するように前記コロナ放電電極およびコレクタ電極に接続される電源とを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、
【数２】
2007513765.tif 000012
およびＩRMS＞ＩMEANである、装置。
【請求項２８】
流体を扱う方法であって、
予め定められた範囲内の電極間キャパシタンス合計をもたらすために、少なくとも１つのコロナ放電電極と、前記コロナ放電電極に近接して位置決めされる少なくとも１つのコレクタ電極とを含むコロナ放電装置に流体を導入することと、
前記電極間を流れるようにコロナ電流Ｉtを誘導するように前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間に電圧Ｖtを印加することによって前記コロナ放電装置に電力信号を供給することとを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、
【数３】
2007513765.tif 000013
であるように電流リップルの値Ｉa.c.／Ｉd.c.は電圧リップルの値Ｖa.c.／Ｖd.c.に関連し、Ｃ≧２である、方法。
【請求項２９】
Ｃ≧１０である、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
Ｃ≧１００である、請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
Ｃ≧１０００である、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
可聴音レベルを十分に超える主周波数を有する前記電圧の交流成分Ｖa.c.を有するように前記電力信号を供給するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
３０ｋＨｚを超える範囲の前記コロナ電流の前記交流成分の周波数を有するように前記電力信号を供給するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記電圧の前記交流成分の周波数は５０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲である、請求項２８
に記載の方法。
【請求項３５】
前記電圧の前記交流成分の周波数は約１００ｋＨｚである、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
前記電圧の前記一定の成分Ｖd.c.の前記振幅は、１０ｋＶから２５ｋＶの範囲内である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
前記電圧の前記一定の成分Ｖd.c.の前記振幅は１ｋＶより大きい、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記電圧の前記一定の成分Ｖd.c.の前記振幅は約１８ｋＶである、請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
前記コロナ電流の前記交流成分Ｉa.c.の前記振幅は、前記コロナ電流の前記一定の成分Ｉd.c.の前記振幅の１０倍以下であって、
前記コロナ電流の前記一定の成分Ｉd.c.の前記振幅は、前記コロナ電流の前記交流成分Ｉa.c.の前記振幅の１０倍以下である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４０】
前記電圧の前記交流成分Ｖa.c.の前記振幅は、前記電圧の前記一定の成分Ｖd.c.の前記振幅の１０分の１以下である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４１】
前記電力信号の前記電圧の前記交流成分Ｖa.c.の前記振幅は、１ｋＶ以下である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４２】
前記コロナ電流の前記一定の成分Ｉd.c.は少なくとも１００μＡである、請求項２８に記載の方法。
【請求項４３】
前記コロナ電流の前記一定の成分Ｉd.c.は少なくとも１ｍＡである、請求項２８に記載の方法。
【請求項４４】
前記コロナ放電電極と前記コレクタ電極との間の無効キャパシタンスは、前記電圧の前記交流成分の周波数の最も高い高調波に対応し、１０ＭΩ以下である容量性インピーダンスを有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項４５】
流体を扱う方法であって、
予め定められた範囲内の電極間キャパシタンス合計をもたらすために、少なくとも１つのコロナ放電電極と、前記コロナ放電電極に近接して位置決めされる少なくとも１つのコレクタ電極とを含むコロナ放電装置に流体を導入することと、
前記電極間を流れるようにコロナ電流Ｉtを誘導するように前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間に電圧Ｖtを印加することによって前記コロナ放電装置に電力信号を供給することとを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、Ｖa.c.＜＜Ｖd.c.およびＩa.c.〜Ｉd.c.である、方法。
【請求項４６】
流体を扱う方法であって、
予め定められた範囲内の電極間キャパシタンス合計をもたらすために、少なくとも１つのコロナ放電電極と、前記コロナ放電電極に近接して位置決めされる少なくとも１つのコレクタ電極とを含むコロナ放電装置に流体を導入することと、
前記電極間を流れるようにコロナ電流Ｉtを誘導するように前記コロナ放電電極とコレ
クタ電極との間に電圧Ｖtを印加することによって前記コロナ放電装置に電力信号を供給することとを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、Ｖa.c.＜Ｖd.c.およびＩa.c.＞Ｉd.c.である、方法。
【請求項４７】
流体を扱う方法であって、
予め定められた範囲内の電極間キャパシタンス合計をもたらすために、少なくとも１つのコロナ放電電極と、前記コロナ放電電極に近接して位置決めされる少なくとも１つのコレクタ電極とを含むコロナ放電装置に流体を導入することと、
前記電極間を流れるようにコロナ電流Ｉtを誘導するように前記コロナ放電電極とコレクタ電極との間に電圧Ｖtを印加することによって前記コロナ放電装置に電力信号を供給することとを含み、前記電圧Ｖtおよびコロナ電流Ｉtの両方は各々が、互いに重畳されるそれぞれの一定ｄ．ｃ．および交流ａ．ｃ．成分の和であって、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であって、
【数４】
2007513765.tif 000014
およびＩRMS＞ＩMEANである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、２００２年６月２１日に出願された米国特許出願連続番号第１０／１７５，９４７号、つまり、２００３年１２月１６日に発行された現在の米国特許第６，６６４，７４１号の一部継続出願（ＣＩＰ）であり、１９９９年１０月１４日に出願された米国特許出願番号第０９／４１９，７２０号、つまり、２００３年１月７日に発行された現在の米国特許第６，５０４，３０８号に関連し、これらは引用によって全文が本明細書に援用される。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
この発明は電気コロナ放電装置に関し、特に、イオンおよび電場の使用によって流体、特に空気に速度および運動量を与えるための流体加速の方法および流体加速のための装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
いくつかの特許（たとえば、スパージン（Spurgin）の米国特許第４，２１０，８４７号およびシャノン（Shannon）らの第４，２３１，７６６号を参照）に記載される先行技術は、コロナ放電装置がイオンを発生させ、流体を加速させるために使用され得ることを認識してきた。このような方法は、チャップマン・アンド・ホール（Chapman & Hall）によって出版された「応用静電集塵（Applied Electrostatic Precipitation）」（１９９７）に記載される静電集塵器および対流放電機械において広く使用される。コロナ放電装置は、高電圧を電極の対、たとえばコロナ放電電極および吸引電極に印加することによって生み出され得る。電極は不均一な電場の発生を引起すように構成および配置されるべきであり、コロナ電極は典型的には鋭い端縁を有するか、またはそうでなければ大きさが小さい。
【０００４】
コロナ放電装置を始動させ、維持するために、高電圧が電極の対、たとえばコロナ放電電極と隣接する吸引（コレクタとも称される）電極との間に印加されるべきである。少なくとも１つの電極、つまりコロナ放電電極は、電極の付近に好適な電場勾配をもたらすために物理的に小さいものであるか、または鋭い先端もしくは端縁を含むべきである。イオン生成に必要な電場を効率的に発生させるように電極間に電圧を印加するために使用されるいくつかの公知の構成が存在する。リー（Lee）の米国特許第４，７８９，８０１号ならびにテイラー（Taylor）らの特許第６，１５２，１４６号および第６，１７６，９７７号は、電極の対の間のパルス電圧波形を応用することを記載し、その波形は１０％から１００％の間のデューティサイクルを有する。これらの特許は、このような電圧発生が、定常状態のＤ．Ｃ．電源の適用例と比較して、結果として生じるコロナ放電装置によるオゾン発生を減少させることを記載する。オゾン生成を減少させるためのこのような電圧発生の実際の利点にかかわらず、１００％未満のデューティサイクルを使用することによって気流発生は実質的には減少され、結果として生じる脈動する気流は不快であると考えられる。
【０００５】
シャーマン（Sherman）らの米国特許第６，２００，５３９号は、周波数が約２０ｋＨｚの交流電圧を発生させるための、高周波数高電圧電源の使用を記載する。このような高周波数高電圧発生は、典型的には高いエネルギ損失をこうむる、嵩高く比較的高価な電源
を必要とする。ウェインバーグ（Weinberg）の米国特許第５，８１４，１３５号は、非常に狭い（つまり、急で、短い持続時間の）電圧パルスを発生させる高電圧電源を記載する。このような電圧発生は、比較的低容量および低速度の気流のみを発生させることができ、高い気流の加速または移動に好適ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上の技術的な解決策のすべては、具体的な電圧波形の発生に焦点を当てる。したがって、すべての構成要素および加速ステップを考慮に入れるイオン誘導流体加速のためのシステムおよびその方法の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
先行技術は、イオン発生プロセスが２つの電極に電圧を単に印加することよりも複雑であるという事実を認識または理解していない。それどころか、先行技術のシステムおよび方法は概して、相当な気流を生成することができず、同時にオゾン生成を制限することができない。
【０００８】
コロナに関連したプロセスは３つの共通の局面を有する。第１の局面は、流体媒体におけるイオンの発生である。第２の局面は、放出されたイオンによる流体分子および外来の粒子の帯電である。第３の局面は、向い合う（コレクタ）電極の方への（つまり、電場線に沿った）荷電粒子の加速である。
【０００９】
イオンによって引起される空気または他の流体加速は、イオンの量（つまり、数）および隣接する流体粒子への電荷を誘導するイオンの能力の両方に依存し、したがって、向い合う電極の方へ流体粒子を進ませる。同時に、オゾン発生は、電極に印加される電力に実質的に比例する。イオンが流体に導入されるとき、イオンは粒子および中性に荷電した流体分子に接着する傾向がある。各々の粒子は、特定の粒子の大きさに応じてごく限られた量の電荷を受入れ得る。以下の式に従って、電荷の最大量（いわゆる飽和電荷）は以下のように表わされてもよい。
【００１０】
【数１】
2007513765.tif 000003
【００１１】
ここで、ｄpは粒子の大きさであり、εrは電極の対の間の誘電材料の誘電定数であり、ε0は真空中の誘電定数である。
【００１２】
この式から、流体に導入される一定数のイオンが、隣接する分子および周囲の粒子をある最大レベルに荷電することになるという結果になる。イオンのこの数は、一方の電極から別の電極に流れるいくつかの電荷を表わし、２つの電極間を流れるコロナ電流を決定する。
【００１３】
流体分子は、一旦荷電されると、電場の方向に、向い合うコレクタ電極に引付けられる。力Ｆがかけられるこの方向を持った空間は、電場強度Ｅに依存する、つまり、その結果として、電極に印加された電圧に比例する電荷Ｑを有する分子を移動させる。
【００１４】
【数２】
2007513765.tif 000004
【００１５】
最大数のイオンがコロナ電流によって流体に導入され、結果として生じる電荷が印加された電圧のみによって加速される場合、相当な気流が発生し、平均的な電力消費は大幅に減少される。これは、電極間の電圧が実質的には一定である間にコロナ電流が値をある最小値からある最大値にいかに変化させるかを制御することによって実現され得る。言い換えると、電流リップルを実質的に高く、理想的には電流の平均値合計またはＲＭＳ振幅と同等であるように保ちながら、電極に印加された電源電圧の高電圧リップル（または、交流成分）を（印加された平均的な高電圧の割合として）最小限にすることが有益であることがわかってきた。（慣例によって特に注記または示唆されなければ、本明細書において使用されるように、「リップル」という用語および「交流成分」という表現は、正弦波形、方形波形、鋸歯状波形、不規則な波形、複合波形などの時間で変動する信号波形のすべてを含む信号、さらには、別名「交流」または「ａ．ｃ．」として知られる２方向の波形、およびパルス直流または「パルスｄ．ｃ．」などの１方向の波形を含む信号の時間で変動する成分を指す。さらに、文脈によって特に指示されなければ、「リップル」、「ａ．ｃ．成分」、「交流成分」などを含むが、これらに限定されないこのような用語に関連して使用される、「小さな」、「大きな」などの形容詞は、信号の電位（すなわち、「電圧」）および信号の流量（すなわち、「電流」）などの特定のパラメータの相対的または絶対的な振幅を表す。）コロナおよび吸引電極のコロナ発生アレイの無効（容量性）成分のために、電圧と電流波形との間のこのような区別が、コロナに関連した技術ならびに装置において可能である。容量性成分は、比較的低振幅の電圧交流成分が比較的大きな対応する電流交流成分を生成することをもたらす。たとえば、小さなリップルを有する高電圧を発生させる電源を使用することがコロナ放電装置において可能である。これらのリップルは比較的高い周波数「ｆ」（つまり、１ｋＨｚより大きい）を有するはずである。以下のとおり、高周波数電圧が印加されるときに比較的小さなインピーダンスＸcを与えるのに十分に電極の相互キャパシタンスＣが高いように電極（つまり、コロナ電極およびコレクタ電極）が設計される。
【００１６】
【数３】
2007513765.tif 000005
【００１７】
電極は、非無効ｄ．ｃ．抵抗および無効ａ．ｃ．容量性インピーダンスの並列接続を表わすか、または並列接続と見なされてもよい。オーム抵抗により、コロナ電流が一方の電極から別の電極に流される。この電流の振幅は、印加された電圧の振幅にほぼ比例し、実質的には一定である（ｄ．ｃ．）。容量性インピーダンスは、電極間の電流のａ．ｃ．部分に関与する。この部分は、印加された電圧のａ．ｃ．成分（「リップル」）の振幅に比例し、電圧交流成分の周波数に反比例する。リップル電圧の振幅およびその周波数に応じて、電極間の電流のａ．ｃ．成分の振幅は、電流のｄ．ｃ．成分未満である場合もあれば、電流のｄ．ｃ．成分よりも大きい場合もある。
【００１８】
小さな振幅のリップルを有する高電圧（つまり、フィルタリングされたｄ．ｃ．電圧）を発生させることができるが、電極間で比較的大きなａ．ｃ．成分を有する電流（つまり、大きな振幅の電流リップル）をもたらす電源は、空気の場合にオゾン生成を大幅に低減または最小限にしながら、イオン発生および流体加速の向上をもたらすことがわかってき
た。したがって、電流リップルは、コロナ電流のｄ．ｃ．成分の振幅によって除算されるコロナ電流のａ．ｃ．成分の振幅として規定される比率または分数（つまり、Ｉa.c.／Ｉd.c.）として表わされるが、電圧リップルよりも相当に大きい（つまり、少なくとも２倍である）はずであり、好ましくは電圧リップルの少なくとも１０倍、１００倍の大きさであるはずであり、さらにより好ましくは電圧リップルの１０００倍の大きさであるはずであり、後者は同様に、ｄ．ｃ．成分の振幅によって除算される、コロナ放電電極に印加された電圧の時間で変動するまたはａ．ｃ．成分の振幅（つまり、Ｖa.c.／Ｖd.c.）として規定される。
【００１９】
出力電圧が平均的な電圧振幅に対して小さな振幅の電圧交流成分を有し、電極および介在する誘電体（つまり、加速される流体）を通る電流が（ｄ．ｃ．電圧に対する）電圧交流成分よりも（ｄ．ｃ．電流成分に対して）少なくとも２倍、より好ましくは１０倍大きい、つまり、電流のａ．ｃ．／ｄ．ｃ．の比率が印加された電圧のａ．ｃ．／ｄ．ｃ．の比率の２倍、１０倍大きい、またはそれよりもさらに大きいときに、最適なコロナ放電装置の性能が達成されることがさらにわかってきた。つまり、静電流体加速器などのコロナ放電装置にかけられる電力が、一定の電圧／電流成分（たとえば、時間で変動しない直流またはｄ．ｃ．成分）および時間で変動する成分（たとえば、パルスまたは交流（ａ．ｃ．）成分）から構成され、それによってＶt＝Ｖd.c.＋Ｖa.c.およびＩt＝Ｉd.c.＋Ｉa.c.であるように表わされる場合に、結果として生じる電流が以下の関係を満たすようにコロナ放電電極間で電圧を発生させることが好ましい。
【００２０】
【数４】
2007513765.tif 000006
【００２１】
上の要件のいずれかが満たされる場合、結果として生じるコロナ放電装置は、電源と比較して、移動される流体の立方フィート当たりの消費電力がより少なく、生成されるオゾンがより少なく（空気の場合）、電流および電圧のａ．ｃ．／ｄ．ｃ．の比率はほぼ等しい。
【００２２】
これらの要件を満たすために、電源およびコロナ発生装置は適切に設計および構成されるべきである。特に、電源は、最小限にすぎないが、同時に、比較的高い周波数のリップルを有する高電圧出力を発生させるべきである。コロナ発生装置自体は、電極を通る、つまり一方の電極から別の電極への相当な高周波数の電流の流れをもたらす、設計された浮遊または寄生キャパシタンスの予め定められた値を有するべきである。電源が低周波数のリップルを発生させる場合、Ｘcは比較的大きくなり、交流成分電流の振幅は電流の直流
成分の振幅と同程度ではなくなる。電源が非常に小さいリップルを発生させるかまたはリップルを全く発生させない場合、交流は直流と同程度ではなくなる。コロナ発生装置（つまり、電極アレイ）が低いキャパシタンス（電極間の寄生および／または浮遊キャパシタンスを含む）を有する場合、交流は再び振幅の点で直流と同程度ではなくなる。大きな抵抗が電源と電極アレイとの間に設置される場合（たとえば、リーの米国特許第４，７８９，８０１号の図１および図２を参照）、ａ．ｃ．電流リップルの振幅は減衰され（つまり減少され）、電流のｄ．ｃ．（つまり、一定の）成分の振幅と振幅の点で同程度ではなくなる。したがって、ある一定の条件が満たされ、そのため予め定められた電圧および電流の関係が存在する場合に限り、コロナ発生装置は十分な気流、動作効率の向上、および望ましいオゾンレベルをもたらすように最適に機能することになる。結果として生じる電源のコストもより低くなる。
【００２３】
特に、リップルを発生させる電源は、そのほかの場合には電源出力に接続される比較的高価で物理的に大きな高電圧キャパシタによってもたらされる実質的な出力フィルタリングを必要としない。このことだけで電源はより安価になる。さらに、このような電源の「慣性」はより少なくなり、つまり、出力の振幅変動を減衰させる傾向のある蓄積エネルギがより少なくなり、したがって、全くリップルを持たないか、または無視できるほどのリップルを有する高慣性の電源よりも急速に出力電圧を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
好ましい実施例の説明
図１Ａは、この発明の実施例と一致する、コロナ放電装置に電力を供給するのに好適な電源のブロック図である。高電圧電源（ＨＶＰＳ）１０５は、振幅が変動する電源電圧１０１（図１Ｂ）Ｖac+dcを発生させる。電圧１０１は、距離１０３によって表わされる瞬時値を有する振幅のａ．ｃ．または交流成分Ｖac（つまり、電圧の交流成分）をＶdcの平均ｄ．ｃ．電圧に重畳した。電圧１０１の典型的な平均ｄ．ｃ．成分（Ｖdc）は、１０ｋＶから２５ｋＶの範囲であり、より好ましくは１８ｋＶに等しい。リップル周波数「ｆ」は、典型的には、約１００ｋＨｚである。１２０Ｈｚを含む６０Ｈｚ商用電力線周波数の倍数などの低周波数高調波が電圧波形に存在し得ることが注目されるべきである。以下の計算は、最も重要な高調波、つまり最も高い高調波、この場合には１００ｋＨｚのみを考慮に入れる。リップルのピークトゥピーク振幅１０３（Ｖacは電圧１０１のａ．ｃ．成分である）は、０から２０００ボルトのピークトゥピークの範囲であってもよく、より好ましくは９００Ｖ未満であるかまたは９００Ｖと等しくてもよく、ＲＭＳ値は約６４０Ｖである。電圧１０１は、電極の対（つまり、コロナ放電電極および吸引電極）に印加される。レジスタ１０６は、ＨＶＰＳ１０５の内部抵抗およびＨＶＰＳ１０５を電極に接続するワイヤの抵抗を表わし、この抵抗の値は典型的には比較的小さい。キャパシタ１０７は、２つの電極間の寄生キャパシタンスを表わす。キャパシタ１０７の値は一定ではないが、約１０ｐＦのレベルであるとおよそ推定され得ることに注目されたい。
【００２５】
レジスタ１０８は、コロナ放電電極と吸引電極との間の空隙に特徴的な非無効ｄ．ｃ．オーム負荷抵抗Ｒを表わす。この抵抗Ｒは印加された電圧に依存し、典型的には１０メガオームという典型的な値を有する。
【００２６】
ＨＶＰＳ１０５からのｄ．ｃ．成分はレジスタ１０８を通って流れるが、ａ．ｃ．成分は主にキャパシタンス１０７を通って流れ、１００ｋＨｚの動作範囲においてレジスタ１０８よりも実質的により低いインピーダンスを表わす。特に、キャパシタ１０７のインピーダンスＸcは、リップル周波数の関数である。この場合、インピーダンスＸcは以下にほぼ等しい。
【００２７】
【数５】
2007513765.tif 000007
【００２８】
キャパシタンス１０７を通って流れる電流のａ．ｃ．成分Ｉa.c.は以下に等しい。
【００２９】
【数６】
2007513765.tif 000008
【００３０】
レジスタ１０８を通って流れる電流のｄ．ｃ．成分Ｉdcは以下に等しい。
【００３１】
【数７】
2007513765.tif 000009
【００３２】
したがって、電極間に結果として生じる電流のａ．ｃ．成分Ｉacは、結果として生じる電流のｄ．ｃ．成分Ｉdcより約２．２倍大きい。
【００３３】
装置１００の動作は、図１Ｂのタイミング図を参照して記載され得る。電離電流がある最大振幅（Ｉmax）に達するとき、流体の周囲の分子および粒子（つまり、空気の分子）を荷電するようにイオンがコロナ放電電極から放出される。このとき、電力発生が最大になり、オゾン生成が（空気または酸素において）最大になる。電流がＩminに減少するとき、電力発生はより少なく、実質的にオゾンは生成されない。
【００３４】
同時に、荷電した分子および粒子は、最大電流状態にあるのと同一の力で（電圧が本質的には一定のままであるので）、向い合う電極（吸引電極）の方に加速される。したがって、流体加速率は実質的には影響を受けず、オゾン生成が減少されるのと同一の程度まで影響を受けることはない。
【００３５】
周囲の流体の加速は、コロナ放電電極を形成するイオンの、吸引電極へのモーメントに起因する。これは、電圧１０１の影響を受けて、イオンがコロナ放電電極から放出され、コロナ放電電極の周りに「イオン雲」を作り出すためである。このイオン雲は、電場の強さ、つまり印加された電圧１０１の値に比例する強度に応答して、向い合う吸引電極の方に移動する。電源１０５によって供給される電力は、出力電流１０２にほぼ比例する（電圧１０１が実質的に一定に維持されると仮定する）。したがって、電流１０２の脈動する性質は、同一の振幅の純粋なｄ．ｃ．電流よりもエネルギ消費が少ないという結果になる。このような電流波形および電流のａ．ｃ．成分とｄ．ｃ．成分との間の関係は、出力電圧の内部抵抗１０６が低く、交流成分の振幅１０３が小さいことによって確実になる。電流１０２の交流成分の相対振幅（つまり、Ｉac／Ｉdc）が電圧１０１の交流成分の相対振幅（つまり、Ｖac／Ｖdc）よりも大きいときに最も効率的な静電流体加速が達成されることが実験的に明らかになってきた。さらに、これらの比率は発散するので、さらなる向上が実現される。したがって、Ｖac／ＶdcがＩac／Ｉdcを大幅に下回る（つまり、半分以下）、好ましくはＩac／Ｉdcの１／１０、１／１００以下、またはさらにより好ましくはＩac／Ｉdcの１／１０００以下である場合に（ＶacおよびＩacは同様に測定され、たとえば、両方はＲＭＳ、ピークトゥピーク、または同様の値である）、流体加速のさらなる効率が達成される。数学的に異なった言い方をすると、コロナ電流の時間で変動する成分と印
加された電圧の一定の成分との積によって除算される、コロナ電流の一定の成分と印加された電圧の時間で変動する成分との積は最小限にされるべきであり、いくつかの最初のステップのための各々の別個のステップは、大きさの点で、大幅な向上をもたらす。
【００３６】
【数８】
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【００３７】
図２Ａは、上の式を満たさないコロナ放電装置を示す。コロナ放電装置は針の形のコロナ放電電極２００を含み、その鋭い形状は針の尖った端部の付近でコロナ放電を生成するために必要な電場をもたらす。向い合うコレクタ電極２０１ははるかに大きく、平滑な棒の形をしている。高電圧電源２０２は、高電圧供給ワイヤ２０３および２０４を介して電極の両方に接続される。しかしながら、放電電極２００の相対的な向きがコレクタ電極２０１の中央軸に垂直であるために、この配置は電極２００と２０１との間に大幅なキャパシタンスを全く作り出さない。概して、いずれのキャパシタンスも電極間で面する実効面積に直接に比例する。この面積は図２Ａに示される装置では非常に小さい。なぜなら、電極のうちの１つが、最小の断面積を有する針の先端の形をしているからである。したがって、電極２００から電極２０１に流れる電流は大幅なａ．ｃ．成分を持たないことになる。図２Ａに示されるものと同様のコロナ放電装置の構成は、非常に低い空気加速能力および比較的大幅な量のオゾン生成を示す。
【００３８】
図２Ｂは、代替的なコロナ放電装置を示す。複数のコロナ放電電極は長く薄いコロナ放電ワイヤ２０５の形をしており、向き合うコレクタ電極２０６はコロナワイヤ２０５に平行なはるかに厚い棒の形をしている。高電圧電源２０７は、それぞれの高電圧供給ワイヤ２０９および２１０によって、コロナ放電ワイヤ２０５およびコレクタ電極２０６に接続される。この構成は電極間にはるかに大きな領域をもたらし、したがって、その間にはるかに大きなキャパシタンスを作り出す。したがって、高電圧電源２０７が十分な電流供給能力を有する場合には、コロナワイヤ２０５からコレクタ電極２０６に流れる電流は大幅なａ．ｃ．成分を有することになる。図２Ｂに示されるようなコロナ放電装置の構成は、実質的な高周波数の電流リップルであるが小さな電圧リップル（つまり、交流成分）を有する高電圧電源によって電力を供給されるときに、より大きな空気加速能力および比較的小さなオゾン生成をもたらす。
【００３９】
図３は、小さな高周波数リップルを有する高電圧を発生させることができる高電圧電源回路３００の概略図である。電源３００は、一次巻線３０７および二次巻線３０８を有する高電圧二重巻線変圧器３０６を含む。一次巻線３０７は、ハーフブリッジインバータ（パワートランジスタ３０４、３１３およびキャパシタ３０５、３１４）を介してｄ．ｃ．電圧源３０１に接続される。ゲート信号コントローラ３１１は、レジスタ３０３および３１７を介して、トランジスタ３０４、３１３のゲートにおいて制御パルスを発生させる。これらのパルスの動作周波数は、レジスタ３１０およびキャパシタ３１６のために選択された値によって決定される。変圧器３０６の二次巻線３０８は、４つの高電圧高周波数パワーダイオードを含むブリッジ電圧整流器３０９に接続される。電源３００は、端子３２０と、コロナ放電装置の電極に接続される接地との間に高電圧出力を発生させる。
【００４０】
図４は、出力電流および電圧波形、つまり生成され、電極のアレイを通って流れる結果として生じる電流４０２とともに、コロナ放電装置における高電圧４０１のオシロスコープのトレースを示す。電圧４０１は、ほとんど交流成分を持たないか、または全く交流成分を持たない、約１５，３００Ｖの比較的一定の振幅を有することが分かる。他方で、電
流４０２は、電流の平均値（１．１８９ｍＡ）をはるかに超える、２ｍＡを超える比較的大きな交流成分（リップル）を有する。
【００４１】
システム性能の測定値は、効率の改善、およびシステムによって処理される空気に存在する微粒子の除去および排除の向上を実証する。特に、この発明のさまざまな実施例を利用するシステムは０．１μｍおよびより大きな塵粒を除去する場合に９９．９７％を超える集塵効率を示すことがわかってきた。したがって、ほとんどの粒子がある最大電荷を達成する、つまり、さらなる電荷（たとえば、イオン）が各々の粒子に関連付けられなくてもよいことをこのシステムは確実にする。これは、この発明の実施例に従うコロナ技術が、対象のすべての粒子を十分に荷電するように動作し、そのため、一般的な流体加速および制御に対して空気洗浄のためにシステムが主に使用されるときには特に、電流のいかなる増加もシステム性能をさらに向上させることはないであろうという結論を導く。
【００４２】
この発明のさまざまな実施例は、印加された高電圧の、接地との関係にかかわらず効率的に動作することがさらに明らかになってきた。たとえば、ある場合には、コロナ電極はたとえば正の高電圧電位に接続されてもよく、対応するコレクタ電極は接地に接続される。別の実施例では、コロナ電極は接地に接続されてもよく、コレクタ電極は、結果として生じる装置の効率に影響を与えることなく高い負の電位に接続される。したがって、たとえば、図１Ｂに示される実施例は高い正の電圧に接続されるコロナ電極を含むが、図３に示される実施例のコロナ電極は負の電圧に接続される。したがって、関連して考慮すべき事項は、任意の接地電位または固定された接地電位に対するいずれかの電圧差ではなく、コロナ電極とコレクタ電極との間に印加される相対的な電位差である。この発明のさまざまな実施例は、コロナ電極、コレクタ電極が接地電位にもしくは接地電位に接近して維持されるか、またはどちらの電極も接地電位にもしくは接地電位に接近して維持されない構成を含む（つまり、接地電位の±５０Ｖ以内、好ましくは±１０Ｖ以内、より好ましくは±５Ｖ以内であり、接地電位は典型的には０Ｖであると考えられる基準である）。
【００４３】
この発明の好ましい実施例は、高電圧および電流リップルが少なくとも超音波周波数にあるとき、つまり、コロナ電圧の交流（つまり、ａ．ｃ．）成分（Ｖa.c.）および電流の交流（つまり、ａ．ｃ．）成分（Ｉa.c.）の周波数が２０ｋＨｚを十分に超えるときに効率の向上を示すことがわかってきた。この利点は少なくとも２つの要因を含む。第１の要因は、可聴周波数または可聴周波数に近い周波数で動作する装置によって発生される音響ノイズを考慮に入れる。つまり、超音波周波数であっても、このような高周波数の（つまり、人間にとっては超音速の）音をしばしば聞くことができるペットを動揺させ、苦しめる可能性がある。第２の要因は、この発明の実施例に従う静電空気洗浄装置を通り抜ける粒子によって移動される距離と比較した動作周波数を考慮に入れる。つまり、比較的速い流体（たとえば、空気）の速度に基づいて、その中に存在する流体（たとえば、空気）の分子および粒子は、リップル周波数が低い場合に十分に荷電されることなく収集要素の大半またはすべての重要な部分（たとえば、コレクタ電極の前面部または先端）を通過し得る。したがって、これは再び、装置の動作電圧および電流の、電圧または電流が変動する（たとえば、交流またはパルス）成分のために、ある最小周波数を使用することを決定付ける。特に、このような変動する（たとえば、ａ．ｃ．）成分は、少なくとも超音波、特に２０〜２５ｋＨｚを超える周波数を有するべきであり、より好ましくは５０＋ｋＨｚの範囲の周波数を有することが明らかになってきた。周波数特性は、さらに、主周波数の組合せおよびその振幅レベルが認識できないかまたは感知できないレベル、たとえば、人間および／または動物に聞こえないレベルに不所望の音の発生を極力抑える、つまり、電圧の交流成分Ｖa.c.が可聴音レベルを十分に超える主周波数を有する必要があるように規定されてもよい。
【００４４】
要約すると、この発明は、低慣性の電源が、高い無効負荷を電源に与えるコロナ放電要
素のアレイと組合せられる実施例を含む。つまり、アレイの容量性負荷は電源の出力におけるいずれの無効成分もはるかに上回る。この関係は、一定の低リップル電圧および高リップル電流をもたらす。これは、結果として、オゾン生成が低減された高効率の静電流体加速器をもたらす。
【００４５】
この明細書に記載されたすべての公報、特許および特許出願はこの発明が関係する当業者のレベルを示すことが注目され、理解されるべきである。すべての公報、特許および特許出願は、各々の個々の公報、特許または特許出願が具体的および個々に引用によって全文が援用されるように示される場合と同一程度に、引用によって本明細書に援用される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】ｄ．ｃ．電圧およびｄ．ｃ．＋ａ．ｃ．電流を生成する電源の概略図である。
【図１Ｂ】電圧および電流の振幅を時間とともに別々に示す電源出力の波形である。
【図２Ａ】（ｉ）気流を最適化する、（ii）電力消費を低減する、および／または（iii）オゾン生成を最小限にするのに不十分な電極間キャパシタンスを有するコロナ放電装置の概略図である。
【図２Ｂ】図３に示される電源などの電源から利益を得、電源と協働するように最適化されるコロナ放電装置の概略図である。
【図３】低振幅高周波数電圧リップルを有する高振幅ｄ．ｃ．電圧を生成する電源の概略図である。
【図４】コロナ放電装置に印加される高電圧および結果として生じるコロナ電流のオシロスコープのトレースである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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