模塊式低功率電離器的製作方法

2023-10-17 19:56:59 1

專利名稱：模塊式低功率電離器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電離器，更具體地是指適合於商業應用和居民應用的模塊式低功率電離器。
傳統的電離器或電濾器包括又大又十分專用的裝置。這些裝置針對大型工業應用，例如水泥廠，具有很高的功率要求。由於這些裝置的大功率要求，電離器包括單獨的高壓電源，非常笨重，製造和維護的成本非常高。這些裝置通常設計成獨立的單元，耦合到現有的通風設備或冷暖設備。由於這些原因，已有的裝置不是很適合商業應用，如辦公大樓或者居民或消費者使用。已經公布的歐洲專利申請號為90850276.8的專利申請公開了一種採用現有技術的這種裝置。
在辦公大樓裡，空氣循環系統包括由過濾器模塊陣列構成的過濾器組。每個過濾器模塊通常有一個在空氣循環前捕獲空氣中顆粒物質的機械過濾器單元。必須定期地更換過濾器單元，因此，導致維護和更換成本的提高。此外，處理用過的過濾器單元也需要一定的費用。對於醫療機構，要把過濾器單元當作有害的生物廢物進行處理，處理的成本更高。另外，排氣風扇必須能夠推動「髒的空氣」通過過濾器單元。對於典型的辦公大樓而言，這意味著要用輸出馬力較大的大型電機來驅動排氣風扇，這進一步增加了傳統空調/加熱裝置的成本。
還有理由相信，已經被汙染的過濾器單元可能對「大樓綜合症」毛病產生作用。
於是，需要適合於商業和居民使用的電離器。本發明的目的是提供一種可以與建築物中冷曖系統(HVAC)現有的冷暖管道相集成的模塊式電離器。本發明的另一個目的是提供一種採用一般交流電源工作、具有低功耗特點併集成有高壓發生器的電離器。本發明的進一步目的是提供一種在電離過程中產生微乎其微臭氧副產品的電離器。本發明的更進一步的目的是提供一種與其它電離器模塊一起排列形成一個適合於更大型安裝工程使用的電離器組或陣列的模塊式電離器，例如可以應用在公寓樓、辦公大樓、醫療機構、實驗室、食品加工廠、電子組裝廠(即「淨化室」)和製造廠等地方。
第一方面，本發明通過在管道內建立徑向離子風，使顆粒固體直接掃到一個或多個收集電極上，提供一種淨化管道中流動氣體的裝置，所述的裝置包括(a)一個電離單元；(b)支撐管道中所述電離單元的裝置；所述電離單元包括(i)一個防水封殼；(ii)在防水封殼中產生高壓輸出的高壓發生器；(iii)耦合到所述高壓輸出並在所述管道中從所述封殼沿軸向延伸的電極支撐棒；(iv)安裝在所述支撐棒上並沿徑向延伸的至少一組電離電極；以及(c)將所述高壓發生器連接到外部低壓電源的裝置。
第二方面，本發明提供一種淨化封閉結構中空氣的空氣淨化器，所述的封閉結構中配備有主電源，所述的空氣淨化器包括(a)至少有一個收集電極的封閉結構；(b)一個電離單元；(c)支撐所述封閉結構中所述電離單元的裝置；所述電離單元包括(i)一個防水封殼；(ii)在防水封殼中產生高壓輸出的高壓發生器；(iii)耦合到所述高壓輸出並在所述管道中從所述封殼沿軸向延伸的電極支撐棒；(iv)安裝在所述支撐棒上並沿徑向延伸的至少一組電離電極，用於在所述封閉結構中建立徑向的離子風，將空氣中的顆粒固體直接掃到所述的收集電極上；(d)將所述高壓發生器連接到外部交流電源的裝置；以及(e)所述的封閉結構包括一個空氣進氣口和一個空氣排氣口。
第三方面，本發明提供一種高壓倍壓器級，包括(a)一個接收輸入電壓信號的輸入口；(b)有兩個安裝電容器的側面通道和一個安裝二極體的底部通道的殼體構件，所述的電容器與二極體相耦合，形成所述高壓倍壓器的多個級；(c)所述的底部通道設置在所述的側面通道之間；(d)所述的最後一級提供所述高壓倍壓器的輸出口。
現在參考表明本發明較佳實施例的附圖，其中

圖1是本發明電離裝置的截面圖。
圖2是圖1所示裝置的電路方框圖。
圖3(a)至3(c)以示意圖示出圖2的電路。
圖4(a)示出本發明的一組電離器。
圖4(b)示出本發明的一組電離器的另一種排列。
圖5是表示圖3電路中產生的選擇控制信號之間關係的時序圖。
圖6(a)和(b)以示意圖示出本發明的變壓器。
圖7(a)至(c)以示意圖示出本發明高壓倍壓器的一個實施例，圖7(a)是高壓倍壓器的俯視圖，圖7(b)是側視圖，圖7(c)是端視圖。
首先參考圖1，圖1示出本發明的電離裝置1。電離裝置1包括一個管狀構件或管道2和一個電離器4。如圖所示，電離器4通過支架6共軸安裝在管狀構件2內。管狀構件2可以包括連接到大樓冷暖設備(HVAC)的現有管道。或者，管狀構件2可以包括給電離器4提供一個外殼或封閉結構和電離室的單獨構件。支架6也給電離器4提供饋電。饋電包括耦合到電源模塊10的電力電纜8。
在圖1中，所示的電離器1水平地安裝在管狀構件2中。將會明白，電離器1也可以例如垂直地安裝在垂直管狀構件中。
本發明的一個特徵在於電離器4是利用一般交流或「主」電源供電的，電源模塊10簡單地被插入牆壁插座中。模塊10包括一個一般的115VAC變壓器。此外，裝置1的模塊式本性使電離器4能夠與大樓現有的冷暖系統相集成。例如，管狀構件2可以包括連接到爐子的加熱管道。支架6將電離器4附著到管道2上，由一根電力引出線供電。對於更大型的應用，例如辦公大樓，電離器4可以排列成圖4(a)所示的組或陣列3。組3包括多個模塊或單元3a、3b、3c、3d...，每一個模塊有一個電離器4(第一單元以3a表示)。電離器4的組或陣列3能夠代替或增加現有空氣過濾器組(未示出)。電離器4也可以如圖4(b)所示在空氣循環管道內以菊花鏈排列。在圖4(b)中，模塊5a、5b、5c、5d的另一列位於模塊3a、3b、3c、3d後面。這種排列能夠增大從空氣中去除的顆粒物質的量。
另一方面，裝置1是作為放置在房間裡(例如居室裡)的一個獨立單元而製造的，可插入到牆壁插座中。獨立單元包括進氣和出氣口，也可以有一個風扇(未示出)。應當明白，這樣的獨立單元需要適當的電磁幹擾(EMI)屏蔽和安全裝置。
如圖1所示，電離器4包括防水封殼12，將高壓電路14封閉在內。防水封殼12的一端用鋁蓋16密封，鋁蓋16也起高壓電路14的散熱體作用。空氣34通過管道2流動，增加了鋁蓋16的散熱能力，然而，空氣34流動的方向可以與圖1所示的方向相反。將蓋子18附著在封殼12的另一端，提供防水密封。通過密封(例如橡膠墊圈)開孔119附著到蓋子18上的是放電棒20。放電棒20通過觸點121電學耦合到電路14，接收電路14產生的高壓輸出。放電棒20較佳地包括兩組或多組電離電極，如圖1中所示的兩組電極22，24。每組電離電極22，24包括四條線26a、26b、26c和28a、28b、28c，圖中未示出的第四條線。相鄰電極，即26a與28a之間的距離約為18英寸。每一組電離電極22，24可以包括四條以上的線，但是，較佳地至少要有四條線。在另一個實施例中，可以用約0.5英寸見方的開孔的線網代替電離電極22，24。
如圖1所示，還提供一個環30，環30通過圖1所示的支架32耦合到管道2。另一方面，環30由與放電棒20相連接的絕緣支架32』(如斷開的輪廓線所示)支撐，環30利用絕緣線33維持在所需電位上，例如接地。環30是由銅等導電材料製備的，對第二組電離電極24提供一個收集電極。如圖1所示，電離電極28a，28b比第一組電極22中的電離電極26a，26b短，環30和電離電極28a，28b(和28c，28d)的組合使管道2中沒有通過第一組電離電極22流動的部分空氣電離。環30適合於與高壓電路14一起產生60kV輸出。
在工作中，高壓電路14在150瓦下產生約60kV至135kV高壓輸出。(用圖6所示的變壓器結構如三鐵心變壓器產生135kV輸出。)高壓輸出給放電棒20和電離電極26，28供電。「髒」的空氣(或氣體)通過電離室(如管道2)流動，在空氣流34中的氣體分子和顆粒物質在通過電離電極26，28附近時被電離。(髒的空氣34將含有顆粒固體，如灰塵，煙霧等等。)在形成第一組電離電極22的導線26與管道2的內表面之間產生離子風127(利用斷開的輪廓線示出)。管道2(即管道2的內表面)提供收集顆粒的收集電極，利用離子風127的作用收集顆粒。管道2的主要功能是起收集顆粒固體的「收集」電極的作用，通過電離電極26a、26b、26c、26d產生的離子風127掃出顆粒固體。(管道2也可以起「法拉弟」籠或屏的作用)。同樣，對於第二組電離電極24，在電離電極28a、28b、28c、28d端頭與環30之間產生離子風29(利用斷開的輪廓線表示)。離子風129主要是負極性的，因此，環30被管道2或絕緣線33接地。例如，由於在端蓋18周圍引起的湍流，由第二組電離電極24產生的離子風129針對在電離電極26a、26b、26c、26d內流動的髒空氣36，產生的乾淨空氣流34』和36』繼續通過管道2。
現已發現，電離器4的功效隨環30和電離電極28a、28b、28c、28d的配置狀況而增加。較佳地，電離電極26a、26b、26c、26d(或電極28a、28b、28c、28d)端頭與管道2(或環30)之間的距離在10至15cm的範圍。應當明白，這一距離還與電離器4產生的場強有關。
也可以應用延伸距離與電極26大致相同的電極(未示出)代替環30和電極28，這是有利的。例如，當產生滿幅135kV輸出時，不採用環30。
如圖1所示，電離裝置1也可以包括一個控制面板38。控制面板38給用戶提供一個設定和維護的界面。控制面板38包括一個開/關開關40、功率輸出指示器42和一個輸出電流計44。根據選擇，控制面板38可以包括一個復位開關46。
對於維護而言，利用一個水噴口清洗已經積累在管道2內表面或環30表面上的顆粒。由於封殼12是防水的，可以方便地對裝置1進行清洗，不用從管道2內卸下電離器4。另一方面，電離器4和支架6的模塊式本性允許將電離器4卸下來，在電離器不在位時對管道2的內表面(或外殼)進行擦洗。
如圖1所示，本發明的一個特徵在於高壓電路14安排在共軸安裝在管道構件2中的防水封殼12內。這種配置簡化了在現有管道構件中構造和安裝裝置1，也便於清洗裝置1。電離器4的模塊式本性也使其適合於形成圖4(a)和4(b)所示的組或陣列3。本發明的另一個特徵在於使用一般交流電源使裝置1工作的能力，這使得裝置1除了工業應用以外，對於那些範圍更廣的應用也富有吸引力，例如，商業辦公大樓和私人居民家庭。利用本發明一個方案的高壓電路14可實現這個優點。
圖2以方框圖示出高壓電路14。高壓電路14包括一個脈衝控制模塊50。脈衝控制模塊50連接到輸出驅動模塊52。輸出驅動模塊52包括一個驅動高壓變壓器54初級繞組的「推挽」電路。正如將要說明的，脈衝控制模塊50產生控制輸出驅動模塊52中「推挽」電路的脈衝信號。輸出，即高壓變壓器54的次級繞組耦合到高壓倍壓器56。高壓倍壓器56使變壓器54的次級繞組的電壓在輸出端58增大到合適的高壓電平。(以下參考圖7描述高壓倍壓器56)。高壓輸出58通過電接觸端子121(圖1)耦合到放電棒20(圖1)。高壓變壓器54與高壓倍壓器56產生高壓輸出(例如，最高達135kV)，給連接到放電棒20(圖1)的電離電極26，28供電。
根據本發明的另一個方案，高壓變壓器54(在圖6中表示的)和高壓倍壓器56(在圖7中表示的)形成一個「可調諧」電路，使變壓器54共振地工作，產生高輸出電壓電平，即135kV。
現在參考圖2，高壓電路14包括一個振蕩器60。振蕩器60給脈衝控制模塊50提供參考觸發信號。振蕩器60的輸出通過緩衝級62耦合到脈衝控制模塊50。緩衝級62給參考觸發信號提供驅動並防止裝載振蕩器60的輸出。
高壓電路14還包括圖2中所示的輸出調節器64。將輸出調節器64耦合到變壓器54和脈衝控制模塊50。輸出調節器64包括一個根據高壓變壓器54的輸出控制脈衝控制模塊50的反饋電路。正如下面將詳細說明的，構造的輸出調節器64對輸出電壓或輸出電流進行調節。在電流調節模式中，輸出電流維持在預定值上，例如250μA，允許電壓電平在一定範圍內，例如在60kV至135kV內變化。在電壓調節模式中，輸出電壓電平維持在由電位器146(圖3(c))設定的預定值上。
高壓電路14由電源模塊70供電。電源模塊70包括主電源模塊10(圖1)，通過一般電纜和插頭連接到主電源上。主電源模塊10在端子11上提供140VDC輸出，在端子13上提供20VAC輸出。主電源模塊10如圖3(c)所示，包括交流線路變壓器15。交流線路變壓器15的初級繞組耦合到主電源電纜上，包括一個保險絲17和開/關開關40。如圖所示，140VDC電源的端子11通過電阻400耦合到變壓器15的初級繞組，由二極體401進行整流。次級繞組使電壓「下降」，在端子13提供20VAC電源。140VDC和20VAC端子11、13以及接地(GND)端子9通過電纜8耦合到高壓電路14。
電纜8包括一根多心電纜，並用另外的心線將電路14(位於封殼12中)通過端子19連接到燈46，通過端子21、23連接到輸出電壓電平調節電位器146，通過端子25、27連接到電流計48。電纜8還包括一個心線，將鋁蓋16(圖1)連接到圖3(b)中所示的包括變阻器41的浪湧抑制器(即接地尖峰信號)電路39。導體29還耦合到控制面板38的底板。
回過來參考圖2，高壓電路14還包括過載保護模塊66和短路保護模塊77。過載保護模塊66有一個耦合到高壓倍壓器56的輸入端、耦合到短路保護模塊77的輸入端、耦合到緩衝級62的輸出端、以及耦合到輸出調節器64的另一個輸出端。從高壓倍壓器56的輸入較佳地包括濾波器網絡87，以下將更詳細地描述。
如果高壓電路14的輸出電流超過預定量，觸發過載保護電路66，(通過緩衝級62的輸入)禁止脈衝控制模塊50因而也禁止輸出驅動模塊52工作。
如果存在短路情況，例如高壓變壓器54失靈以及漏洩電流大時，也會觸發過載保護模塊66。如果發生短路情況，短路保護模塊觸發過載保護模塊66。過載保護模塊66通過禁止脈衝控制模塊50和輸出驅動模塊52工作又斷開電路14。
一旦觸發後，脈衝控制模塊50保持禁止直至過載保護模塊66復位。高壓電路包括一個使過載保護模塊66復位的復位模塊68。復位模塊68經過一段預定時間後自動地產生一個復位信號。通過人工方式撳一下控制面板38上的復位開關(未示出)，也能夠激發復位模塊68。如果過載保護模塊66被短路模塊77所觸發，那麼，較佳地只能以人工方式使電路14工作，從而給調查短路原因提供機會。
為了提供自動復位特徵，振蕩器60也給復位模塊68提供定時參考信號。下面將對這一特徵作詳細說明。
接著參考圖3(a)至3(c)，圖3更詳細地示出高壓電路14。下表列出了圖3中所示元件的參數值。如圖3(a)所示，端子72連接到140VDC輸入端子11，端子74連接到20VAC輸入端子13，端子76連接到接地端子9。140VDC輸入經電容器402和電阻器403濾平。20VAC輸入經二極體404整流和電容器405濾平。經過整流的20VAC將在端子80給電壓調節器78提供輸入。如圖3(b)所示，電壓調節器78包括松下半導體公司製造的LM7812這類常規器件。調節器78提供+12伏電源軌82，包括濾平+12伏輸出的電容器406。+12伏電源軌82給包括高壓電路14在內的元件提供供電電壓。高壓電路14還包括浪湧抑制器39。浪湧抑制器39的功能是通過將電壓尖峰信號分流到地而保護電路14。如圖所示，浪湧抑制器39包括一個變阻器41，其一端接地，另一端連接導體29，導體29也連接到控制面板的底板。
回過來參考圖3(a)，140VDC饋電給高壓變壓器54的初級繞組提供能量。變壓器54的初級繞組有一個中心抽頭84，接收140VDC。如圖3(a)所示，140VDC通過短路保護模塊77的分路耦合到中心抽頭84。(初級繞組的端子被耦合到輸出驅動模塊52，以如下所述的「推挽」方式工作。)短路保護模塊77包括一個串聯在140VDC輸入72與高壓變壓器54中心抽頭84之間的電感器86。分路還包括保險絲88和與電感器86並聯的電容器407。電感器86磁耦合到簧片開關90。簧片開關90的一端耦合到電壓輸入端92，開關90的另一端形成一個耦合到過載保護模塊66輸入端的輸出端。如圖3(a)所示，簧片開關90的輸出端包括在端子94調節輸出信號的電阻器408，409和電容器410。
如果發生短路情況，高壓變壓器54將抽取電流，在電感器86中產生磁場。該磁場又「跳開」簧片開關90，在端子94產生脈衝給過載保護模塊66。產生的脈衝觸發過載保護模塊66，引起脈衝控制模塊50停止工作，以下將作更詳細的介紹。
如圖3(a)所示，在一種變型的短路保護模塊77中，用一個光電二極體和光電電晶體配置代替簧片開關90和電感器86，並以標號79表示。在本領域專業人員的知識範圍內能夠實現圖3(a)所示的電路79。
接著參考圖3(b)，利用一個可編程的定時器晶片96，如摩託羅拉公司提供的MC14541，可以實現振蕩器60。定時器晶片96可以構成在引腳1提供16kHz至22kHz的輸出信號98。在專業人員的知識範圍內，能夠恰當選擇耦合到定時器晶片96引腳2和3的電阻411，412和電容413，414的值以及耦合到引腳12的電壓電平。(例如，在下表中對19kHz信號98提供了電阻和電容的值)。定時器晶片96也包括一個16級二進位計數器，在輸出引腳8提供計時序信號，供復位模塊68使用。
19kHz信號98給脈衝控制模塊50提供參考信號，並經緩衝級62緩衝。如圖3(b)所示，利用一個包含六個倒相器100至110的單個封裝晶片，如摩託羅拉公司提供的MC4049，可實現緩衝級62。各個倒相器100與102，104與106，108與110成對級聯，形成各自的非倒相緩衝器。緩衝級產生兩個相位差180。的緩衝輸出參考信號112，114。緩衝輸出信號112，114將參考輸入提供給脈衝控制模塊50。如圖3(b)所示，倒相器104，108通過各自的二極體415，416和電阻器417，418也耦合到過載保護模塊66。以下將進一步詳細描述這一方案。
脈衝控制模塊50和輸出驅動模塊52包括一種驅動高壓變壓器54的「推挽式」結構。推挽式結構從高壓變壓器54產生更高效的功率輸出。
如圖3(a)所示，輸出驅動模塊52包括一對功率電晶體116，118。電晶體116，118的輸出端，即漏極和源極耦合到高壓變壓器54的初級繞組。電晶體116，118的控制輸入端，即柵極耦合到脈衝控制模塊50的各個輸出端120，122。脈衝控制模塊50產生脈衝串124，126，它使各個電晶體116，118接通和斷開，從而控制變壓器54初級繞組中流過的電流。如上所述，高壓變壓器54在初級繞組上有一個中心抽頭84，連接到140VDC電源。在初級繞組中流過的電流在變壓器54的次級繞組中感應出電壓。用高壓倍壓器56對次級繞組中感應的電壓進行倍增，在輸出端58產生高壓。
脈衝控制模塊50包括一對用第一和第二LM555型定時器晶片132和134實現的單穩多諧振蕩器128，130。專業人員會清楚，每個555型定時器晶片132，134有一個電阻器和電容器網絡，將定時器晶片132，134配置成單穩多諧振蕩器(即脈衝發生器)。(例如，電阻器419至425和電容器426，427的值由下表給出)。參考信號112給第一單穩多諧振蕩器或脈衝發生器128提供「觸發」信號，參考信號114給第二單穩多諧振蕩器130提供「觸發」信號。根據參考信號112，第一脈衝發生器128產生驅動功率電晶體116柵極的脈衝信號輸出124。同樣，第二脈衝發生器130產生驅動第二功率電晶體118柵極的脈衝信號126。在專業人員的知識範圍內，由連接到各個555型定時器晶片132、134的閾值和放電輸入端的電阻/電容網絡確定每個脈衝信號124，126的佔空因數。在較佳的實施例中，佔空因數約為25％。為了保護電晶體116，118，脈衝發生器128，130的輸出端包括電阻器428，429，如圖3(b)所示。
較佳地，電晶體116，118包括International Rectifier公司提供的絕緣柵雙極型功率電晶體，例如IRGPC50FD2型號是合適的。
圖5示出脈衝信號124，126之間的關係。在脈衝信號124，126之間存在相移或時間滯後，給功率電晶體116，118產生「推挽」動作，即當第一電晶體116接通時，第二電晶體118斷開。當高壓電路14設定為滿幅功率輸出(例如利用電位器146-圖3(c))時，每個脈衝的寬度約為15微秒。在最小功率輸出時，脈衝信號124，126的脈衝寬度在微秒範圍內。
再回過來參考圖3(a)，高壓變壓器54的初級繞組包括從電源模塊70耦合到140VDC饋電的中心抽頭84。根據脈衝控制信號124，126，電流首先「推」然後「拉」通過變壓器54的初級繞組。例如，當第一電晶體116接通，第二電晶體118斷開時，電流流過第一電晶體116並在變壓器54的次級繞組中感應電壓。相反，當第二電晶體118接通，第一電晶體116斷開時，電流以相反的方向流過第二電晶體118和變壓器54的初級繞組。本發明的推挽結構降低了如果只在一個方向(例如A類模式)激勵初級繞組出現的高壓變壓器鐵心的磁化。由於電晶體116，118的工作交替地改變初級繞組中電流的方向，在信號124，126(圖5)的各個脈衝間的時間滯後期間，允許變壓器鐵心中的磁場減弱。這使變壓器54能夠更有效地工作。如圖3(a)所示，電阻430和電容431跨接在變壓器54的初級繞組上。電阻430和電容431有助於控制電晶體116，118切換導致初級繞組中出現的瞬變。
再參考圖3(a)，電晶體116，118每一次接通，電流在初級繞組中流過，在變壓器54的次級繞組中感應電壓。變壓器54的次級繞組使感應電壓升高，通過高壓倍壓器56的工作使感應電壓增大到135kV。
根據本發明的另一個方案，高壓變壓器54包括如圖6(a)和6(b)所示的多鐵心結構。變壓器54包括初級繞組55、次級繞組57以及多個鐵心59。多鐵心59包括三個鐵氧體鐵心61，63，65。為了減小鐵心中的磁滯，每個鐵氧體鐵心61，63，65有空隙67，69。對於每個鐵心61，63，65，初級繞組55包括18匝，次級繞組57的匝數比約為1/50。次級繞組57較佳地用環氧樹脂真空密封。應當清楚，圖6所示的多鐵心結構具有限制每個鐵心61，63，65的渦流的優點。
根據本發明的這個方案，為了在次級繞組57中產生高壓輸出而又不需要高的匝數比，變壓器54包括三鐵心結構59。通過限制匝數比，可以減小變壓器554的尺寸。
圖6所示的變壓器54的三鐵心結構適合於150瓦系統。對於100瓦系統，適當改變次級繞組的匝數比，可以用兩鐵心結構，例如61，63。對於50瓦系統，適當改變匝數比，可以用單鐵心結構。
為了進一步將輸出增大到135kV，變壓器54以共振方式工作。變壓器54和高壓倍壓器56包括一個「調諧」電路。頻率越高，變壓器54的效率越高，輸出越高，然而，極限是脈衝控制模塊50中電晶體116，118的開關頻率。對於所用的電晶體116，118，在16kHz至22kHz範圍內選擇開關頻率。空隙67，69約為0.004英寸，調節空隙使變壓器54在共振下產生7.5kV峰值輸出。
如圖3(a)所示，次級繞組耦合到高壓倍壓器56。高壓倍壓器56包括一組級聯的級。倍壓器包括七個級聯的級，圖中示出其中的三個並用標號136，138，140表示。每一個級聯的級是由一組電容器和二極體形成的。用電容和二極體構，成倍壓器正如專業人員所懂得的。(如果採用絕緣線23與環30，絕緣線23的電容要分解到級聯級)。高壓倍壓器的功能是(通過變壓器54初級繞組中140VDC的「推挽」切換)進一步增大或倍增變壓器54次級繞組中產生的「升高」電壓。
在本結構中，即包含變壓器54和倍壓器56的調諧電路中，輸出高達135kV，電容是680pF，額定電壓15kV。對於35kV RMS，二極體的額定電流為2mA。高壓倍壓器54的輸出經電接觸點21電耦合到放電棒20(圖1)。以下描述圖7所示出的「調諧」高壓倍壓器56。對高壓變壓器54和高壓倍壓器56作適當改進(即增加級數)，可以獲得約180kV的輸出電壓。
參考圖3(a)，高壓變壓器54鐵心上第三繞組142給輸出調節器64提供輸入144。輸出調節器64的功能是調節或控制電路14產生的輸出電壓。調節器64也可配置成調節輸出電流。在電壓調節模式下，輸出電壓電平維持在電位器146(圖3(c))設定的電平上。在電流調節模式下，電流維持在預定的水平，例如250μA，允許電壓在60kV至135kV之間變化，這將取決於使空氣34中顆粒帶電所需的電流。
根據所需的輸出電壓電平，通過控制脈衝124，126(圖3(b))佔空因子，調節輸出電壓。輸出電壓電平是由圖3(c)所示的電位器146設定的，將其耦合到繞組142。電位器146較佳地是位於控制面板38內，只有經培訓的技術人員才能接觸它。電位器146的電刷形成端子23並在調節器64的端子155上耦合到齊納二極體148。齊納二極體148給調節器64提供輸入。調節轉盤42的另一個端子21連接到繞組142的端子144上。
參考圖3(b)，輸出調節器64包括一個NPN電晶體150和一個PNP電晶體152。齊納二極體148的陰極通過電阻432耦合到NPN電晶體150的集電極，二極體148的陽極通過電阻433耦合到NPN電晶體150的基極。NPN150的基極還通過二極體434耦合到信號接地。NPN150的集電極通過電阻435耦合到PNP電晶體152的基極。PNP152的基極通過電阻436還耦合到過載保護模塊66的輸出端154。PNP152的發射極通過兩個二極體437接至12伏電壓。二極體437給PNP152偏置，使最小脈衝寬帶限制在0.2μs。PNP電晶體152的集電極給調節器64提供輸出並通過電容438耦合到脈衝控制模塊50。電阻435和電容438給555定時器132，138的電阻/電容網絡提供偏壓並控制各個脈衝信號124，126的佔空因子。
在電壓調節模式下，繞組142(圖3(a))中產生的電壓正比於電路14輸出端58的輸出電壓。當繞組142中的電壓超過閾值電平(由電位器146-圖3(c)設定)時，齊納二極體148將導通，引起NPN電晶體150導通。這又引起PNP電晶體152導通，電容438上偏壓變化，從而引起脈衝信號124，126的脈衝寬帶和佔空因子減小。通過改變脈衝信號124，126的佔空因子，改變高壓輸出端58的電平和電離作用。在本實施例中，輸出電壓在1.0mA下調節為135kV，或在1.5mA下調節為100kV。
參考圖3(b)，當過載保護模塊66被觸發時，輸出端154被拉低，PNP電晶體152被截止。這可以有效地禁止555定時器132，134工作，下面將詳細介紹。
在另一個方案中，輸出調節器64允許控制輸出電流電平。現已發現，對於淨化含有大量顆粒物質的空氣，電流調節是比較理想的，顆粒物質越多，越易於使之帶電和維持帶電。換句話說，一旦顆粒帶電，顆粒物質越多，所需的電流越低。另一方面，當空氣相對清潔時，例如辦公場所，電壓調節則較佳，因為在電流調節模式中使顆粒帶電需要用較大電流。
選擇電流調節，有一個連接到節點170(即濾波器網絡87的輸出)的端子151和一個開關或搭接片153。搭接片153將端子151，即濾波器87的輸出耦合到端子155齊納二極體148的陽極。在電流調節模式中，NPN電晶體150耦合到濾波器網絡87的輸出端，流動的電流控制NPN電晶體150，它又控制PNP電晶體152和電容438上的偏壓。對於下表中所列的元件參數值，輸出電流調節在250μA。
如圖2所示，濾波器網絡87將高壓倍壓器56的輸出信號耦合到過載保護模塊66。濾波器網絡87的功能是調節倍壓器56的輸出信號，以防止保護模塊66被誤觸發。
參考圖3(b)，濾波器網絡87包括如圖所示的電阻445至448和電容449至451的一條分路。濾波器網絡87的另一條分路包括電容452。濾波器87的輸入端162連接到高壓變壓器54的次級繞組。濾波器網絡87的頻率特性是根據變壓器54的共振頻率配置的。表中所給的電阻值和電容值適合於19kHz開關頻率。對於16kHz工作，電阻445至448的合適值為1.1K，對於20kHz工作，電阻445至448的合適值是560歐姆。
如圖3(a)所示，高壓倍壓器56的輸出164包括網絡166，網絡166包括變阻器168、截斷二極體452、電阻453至454以及電容455，456，連接關係如圖所示。網絡166的功能是「濾平」從倍壓器56中抽出的輸出信號。在倍壓器56輸出信號中的尖峰信號到達過載保護模塊66之前，變阻器168通過將其分流到接地而吸收這些尖峰信號。
再回過來參考圖3(b)，在濾波器87的輸入端162，信號分成兩路。一路將信號相位前移，而另一路將信號相位後移，因此，當信號在節點170重新合併時，即輸入到過載保護模塊66時，能夠有效地消除信號的波動。在電流調節模式中，如上所述，濾波器網絡87的信號輸入到齊納二極體148。
參考圖3(b)，濾波器網絡87的信號在節點170輸入到過載保護模塊66。過載保護模塊66包括第一和第二半導體閘流管或可控矽整流器(SCR)172和174。第一SCR172給過載電壓情況提供保護。第二SCR174給溫度過載情況提供保護。如果超過預定輸出電流電平，SCR172禁止電路14工作。另一方面，如果超過安全工作溫度，例如75℃，第二SCR174使電路14不工作。如圖3(b)所示，每個SCR172，174包括一個輸入網絡，分別用173和174表示。
第一SCR172的柵極通過電阻457接收濾波器網絡87(即節點170)的輸出信號。選擇電阻457的值，使SCR172在適當的輸出電平上被觸發。(如上所述，濾波器網絡87去除信號中的波動或尖峰信號，以防止SCR172誤觸發)。SCR172的柵極包括二極體458和電容459，它們形成連接到端子94(即圖3(a)所示的短路保護模塊67的輸出)的輸入176。SCR172的柵極通過熱敏電阻178和電阻460還連接到信號接地，如圖3(b)所示。熱敏電阻178的功能是在裝置變熱時對SCR172進行補償。當封殼12內的溫度升高時，SCR172對誤觸發更加敏感。
工作中，當輸出電流超過預定的閾值電平時，SCR172被觸發，SCR172的輸出變低。(如圖3(b)所示，SCR172的輸出端通過電阻461接至+12伏電壓。)當SCR172的輸出變低時，禁止對各個單穩態振動器128，130提供脈衝信號112，114，這又阻止功率電晶體116，118(圖3(a))切換。如圖3(b)所示，SCR172的輸出端還連接到調節器64中PNP電晶體152的基極。SCR172的觸發也引起禁止調節器向555定時器132，134提供輸入。單穩態振動器或脈衝發生器128，130維持在禁止狀態，直至SCR172被復位模塊68復位。
如圖3(b)所示，復位模塊68包括一個定時器180和一個輸出電晶體182。定時器180配置成產生輸出信號，在預定時間接導通電晶體182。輸出電晶體182跨接在SCR172上。當導通時，電晶體172使SCR172有效地「短路」，SCR172復位。(SCR172復位到低於0.7伏，在飽和狀態中電晶體182的集電極-發射極電壓為0.2伏)。利用摩託羅拉公司提供的MC14566工業時基發生器晶片可實現定時器180。定時器晶片180有一個輸入端184，連接到定時器(振蕩器)晶片96的輸出端，接收時序信號186。定時器180配置成產生接通電晶體182的輸出信號，(振蕩器晶片96的PIN12接至+12伏電壓)約為每次4分鐘或者(振蕩器晶片96的PIN12接地)約為每次4秒，正如有關專業人員所能理解的。如圖3(b)所示，定時器180的輸出端通過電阻462耦合到電晶體182的基極。定時器180本身通過電晶體182的工作復位。如圖所示，定時器180有一個復位輸入端188，它通過電阻463和電容464耦合到電晶體182的集電極。
參考圖3(b)，第二SCR174以及熱敏電阻190給高壓電路14提供過熱保護。熱敏電阻190通過齊納二極體192、電阻465和另一個齊納二極體194耦合到SCR174的柵極，如圖3(b)所示。SCR174的輸出端通過電阻466接至+12伏電壓，還經緩衝輸入端104，108接至單穩態振動器128，130。當工作溫度超過預定閾值，例如75℃時，觸發SCR174並把緩衝104，108輸入拉至地，因而使單穩態振動器128，130(即脈衝發生器)喪失作用。由於高溫狀態可以表示失靈，與過載狀態相反，耦合到SCR174的截止二極體196阻止SCR174由復位模塊180自動復位。為了使SCR174復位，必須由技術人員切斷裝置的電源，對故障進行檢查。
過載保護模塊66還包括端子198，200，連接至電流計48(圖3(c))。在電容467和電阻468的交接點形成端子198，它在節點170連接至濾波器網絡87的輸出端。在電阻469和信號接地的交接點形成端子200。電阻469的另一端連接於SCR174的柵極。端子198連接於電流計48的端子27，端子200連接於「返回」端子25，如圖3(c)所示。電流計48包括定標電阻202。電流計48的端子25通過電阻470連接至電位器146，如圖3(c)所示。
如圖3(a)所示，功率輸出指示器46通過驅動電路158也連接到繞組142。燈46在端子19連接至驅動電路158(圖3(a))。燈46的驅動電路158包括電晶體160。電晶體160的基極通過電阻439、電容440和整流二極體441連接至繞組142。電晶體160的集電極通過二極體442耦合到端子19。驅動電路158還包括另一個二極體443和電阻444，將端子19耦合到信號接地。
在工作中，當裝置接通時，燈46將暗暗地發光。當在繞組142中感應電壓時，基極電流流動，引起電晶體160導通；集電極電流使燈46明亮發光。如果電離器4的輸出端已經被短路，那麼，過載保護模塊66的繼續復位將使燈46每隔4分鐘(或4秒)閃爍一次。
參考圖3(a)，二極體441的陽極也耦合到端子220。端子220連接到電路222的輸入端子，如圖3(b)所示。電路222提供輸出端子224和測試點端子226。電路222對線圈142負輸出部分進行處理。電路222包括電容471，472、二極體473、電阻474。下表給出元件的參數值。
如上所述，高壓倍壓器56和變壓器54可以包括一個「調諧」電路。接下來參考圖7(a)至(c)，圖7示出本發明一個方案的高壓倍壓器56。高壓倍壓器56包括一個封殼，通常以標號204表示。封殼204包括封裝倍壓器56的級聯級136，138，140(圖3(a))的箱體206和連接輸出線58的管道208。由分別以D和C表示的二極體和電容器形成級聯的級(例如136，138，140)。倍壓器56的輸入端通過AC引線和接地線連接到高壓變壓器54的次級繞組。高壓倍壓器56的主要功能是降低AC線與地線之間的電容，以使變壓器以共振方式工作。
如圖7所示，箱體206有安裝電容器C的側面通道210，212和安裝二極體D的底部通道214。通道210，212，214較佳地填充環氧材料。封殼204包括接收電介質材料的一個或多個通道，以改變電容，也就改變阻抗和高壓倍壓器56產生的輸出電壓。
對於135kV輸出，高壓倍壓器56包括9級，電容C為680pF，額定電壓15kV，二極體D額定值為35kV和2mA。
應當清楚，本發明的高壓電路14提供一種實現電離器4的精巧又經濟的解決辦法。高壓電路14與電離器4模塊式設計相結合，提供一種易於裝在現有管道工件上的裝置，該裝置按照電離器組排列，替代辦公大樓中的已知的機械過濾器組。
只要不背離本發明基本特徵的精神，可以用其它具體形式來體現本發明。因此，目前討論的這些實施例應被看作是事例而非限制，本發明的範圍是由權利要求書而非以上說明表示的，因此，希望在權利要求等效意義和範圍內的所有變化都包含在其權利要求之中。，元件參數值表，變阻器 41 120v電位器 14650K齊納二極體 14815V電晶體 1504624電晶體 1524626電晶體160U45變阻器16820VSCR1 1725061SCR2 1745061熱敏電阻 178100K，20℃電晶體1824124熱敏電阻 190100K，20℃齊納二極體1927.8V齊納二極體1947.5V二極體196914電阻 4001.5，10W二極體4018A，400V電容 402680μF，200V電阻 403100K，1W二極體4044007電容 4051000μF，40V電容 4062.2μF電容 4072.2μF電阻 408100K電阻 409220K電容 4101nF電阻 411100K電阻 412220K電容 413180pF電容 41450pF二極體415914二極體416914電阻 41718K電阻 41818K電阻 419 18K電阻 420 18K電阻 421 6.8K電阻 422 1.8K電阻 423 18K電阻 424 18K電阻 425 6.8K電容 426 1nF電容 427 1nF電阻 428 27歐姆電阻 429 27歐姆電阻 430 5.6K電容 431 150pF電阻 432 18K電阻 433 820K二極體 434 914電阻 435 18K電阻 436 47K二極體 437 4126電容 438 0.1μF電阻 439 10K電容 440 2.2μF，100V二極體 441 4007二極體 442 4007二極體 443 4007電阻 444 100歐姆，1W電阻 445 680(1.1K，560歐姆)電阻 446 680(1.1K，560歐姆)電阻 447 680(1.1K，560歐姆)電阻 448 680(1.1K，560歐姆)電容 44915nF電容 45015nF電容 45115nF電容 4521nF電阻 45318歐姆電阻 4541K，1W電容 4550.1μF電容 4562.2μF，100V電阻 457220K二極體 458914電容 4591nF電阻 46057K電阻 4611.5K電阻 46218K電阻 4631M電容 46447pF電阻 46518K電阻 46618K電容 4672.2μF電阻 4682.2K電阻 469220K電阻 47012K電容 4710.1μF電容 472680pF二極體 4734007電阻 4746.8K電阻 4755K電容 4762.2μF
權利要求
1.一種淨化管道中流動氣體的裝置，通過在管道中建立徑向離子風，使顆粒固體直接掃到一個或多個收集電極上，其特徵在於所述的裝置包括(a)一個電離單元；(b)支撐管道中所述電離單元的裝置；所述電離單元包括(i)一個防水封殼；(ii)在防水封殼中產生高壓輸出的高壓發生器；(iii)耦合到所述高壓輸出並在所述管道中從所述封殼沿軸向延伸的電極支撐棒；(iv)安裝在所述支撐棒上並沿徑向延伸的至少一組電離電極；以及(c)將所述高壓發生器連接到外部低壓電源的裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於管道壁構成收集所述顆粒固體的收集電極。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述的電離單元包括多個軸向隔開的電離電極組。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於進一步包括一個位於管道內環繞一組所述電離電極的環形電極，所述的環形電極其直徑佔管道的一部分並電學接地。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於所述的環形電極是由所述的支撐棒支撐的。
6.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於所述的環形電極連接到管道並由管道支撐。
7.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的高壓發生器包括一個變壓器和激發所述變壓器產生所述高壓輸出的控制裝置。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於所述的控制裝置包括產生脈衝的脈衝發生器裝置和耦合到所述變壓器並響應於所述脈衝激發所述變壓器的推挽驅動電路。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述的高壓發生器包括耦合到所述變壓器輸出端的倍壓器裝置，使所述變壓器輸出倍增到所述高壓輸出。
10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於所述的高壓發生器包括調節所述高壓輸出的調節裝置。
11.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的電離單元包括過載保護裝置，當所述高壓電流輸出超過預定水平時使所述高壓發生器停止工作。
12.一種淨化建築物封閉結構中空氣的空氣淨化器，所述的封閉結構配備有主電源，其特徵在於所述的空氣淨化器包括(a)至少有一個收集電極的封閉結構；(b)一個電離單元；(c)支撐所述封閉結構中所述電離單元的裝置；所述電離單元包括(i)一個防水封殼；(ii)在防水封殼中產生高壓輸出的高壓發生器；(iii)耦合到所述高壓輸出端並在所述管道中從所述封殼沿軸向延伸的電極支撐棒；(iv)安裝在所述支撐棒上並沿徑向延伸的至少一組電離電極，用於在所述封閉結構中建立徑向離子風，將空氣中的顆粒固體直接掃到所述的收集電極上；(d)將所述高壓發生器連接到外部主電源的裝置；以及(e)所述的封閉結構包括一個空氣進氣口和一個空氣排氣口。
13.如權利要求12所述的裝置，其特徵在於進一步包括通過所述進氣口吸入空氣和通過所述排氣口排出空氣的風扇。
14.一種高壓倍壓器級，其特徵在於包括(a)一個接收輸入電壓信號的輸入口；(b)有兩個安裝電容器的側面通道和一個安裝二極體的底部通道的殼體構件，所述的電容器和二極體相耦合，形成所述高壓倍壓器的多個級；(c)所述的底部通道設置在所述的側面通道之間；(d)所述的最後一級提供所述高壓倍壓器的輸出口。
15.如權利要求14所述的高壓倍壓器級，其特徵在於進一步包括具有一個接收輸入信號的初級繞組和一個次級繞組的高壓變壓器，所述的初級繞組通過一個鐵心耦合到所述的次級繞組，以增大施加到所述初級繞組的輸入交流信號，所述的次級繞組有連接到所述輸入口的端子。
16.如權利要求15所述的高壓倍壓器級，進一步包括激勵所述高壓變壓器的所述初級繞組的裝置，所述的初級繞組有一個接收所述輸入信號的中心端子，其特徵在於所述的輸入信號包括直流電壓信號。
17.如權利要求16所述的高壓倍壓器級，其特徵在於所述的激勵裝置包括耦合到所述高壓變壓器的初級繞組的推挽電路，有一個通過所述初級繞組改變電流流動的裝置。
18.如權利要求17所述的高壓倍壓器級，其特徵在於所述的高壓變壓器和所述的高壓倍壓器形成一個調諧電路。
19.如權利要求18所述的高壓倍壓器級，其特徵在於所述的高壓變壓器的鐵心包括三個鐵心構件。
20.如權利要求9所述的高壓倍壓器級，其特徵在於所述的高壓發生器包括調節輸出電流的調節裝置。
全文摘要
一種使空氣電離,去除顆粒物質的裝置,包括一個電離器以及在管道或封閉結構中安裝電離器的支架。電離器包括一組跨越一部分管道的電極。離子風把空氣中的顆粒掃到管道上提供的收集電極。在另一個實施例中,還提供一個跨越管道內部的環形收集電極。高壓電路包括直流電源、高壓變壓器、高壓倍增級和推挽切換電路。直流電源接收交流電力,產生的直流輸出耦合到變壓器初級繞組。推挽切換電路通過交替地切換初級繞組在變壓器中產生可控的有效的交流輸出。倍增級進一步將次級繞組的輸出電壓增大到足以激勵電極並產生離子風的電平。本裝置還包括一個高壓倍增級。
文檔編號B03C3/38GK1186454SQ96194314
公開日1998年7月1日 申請日期1996年5月31日 優先權日1995年6月1日
發明者漢斯W·克勞斯 申請人:Dkw國際股份有限公司