流体の流れを制御するための静電流体加速器および方法
【課題】スパークなどの望ましくない寄生的な影響を最小化することのできる実用的なスパーク管理装置を提供する。
【解決手段】電力を負荷装置に供給するよう動作可能な高電圧電源と、前記負荷装置における１つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、前記負荷におけるスパーク前の状態を識別するために前記１つ以上の電磁パラメータに応答する第１の検出器と、前記高電圧電源が、前記スパーク前の状態に応答して前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第１の検出器に接続された第２の検出器とを含む。
【解決手段】電力を負荷装置に供給するよう動作可能な高電圧電源と、前記負荷装置における１つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、前記負荷におけるスパーク前の状態を識別するために前記１つ以上の電磁パラメータに応答する第１の検出器と、前記高電圧電源が、前記スパーク前の状態に応答して前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第１の検出器に接続された第２の検出器とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
スパーク管理の方法および装置と題される、２００２年７月３日に出願された連続番号第１０／１８７，９８３号、流体の流れを制御するための静電流体加速器および方法と題される、２００３年１月２８日に出願された連続番号第１０／３５２，１９３号、静電流体加速器と題される、１９９９年１０月１４日に出願された連続番号第０９／４１９，７２０号、流体の流れの静電流体加速の制御のための方法および装置と題される、２００２年６月２１日に出願された連続番号第１０／１７５，９４７号、および流体の流れを制御するための静電流体加速器および方法と題される、２００２年７月３日に出願された連続番号第１０／１８８，０６９号の特許のすべてを全体としてここに引用により援用する。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、コロナ放電の発生のための方法および装置に関し、特に、流体の運動および制御のためにイオンおよび電界を使用した、流体、特に空気に速度および運動量を与えるための流体の加速のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．先行技術の説明
いくつかの特許（たとえば、シャノンらの米国特許第４，２１０，８４７号、およびスパージオンの第４，２３１，７６６号を参照）は、コロナ放電を使用してイオンを発生し、粒子を帯電させることができるという事実を認めている。そのような方法は、Chapman & Hall（1997）によって出版されたApplied Electrostatic Precipitationに記載される
ように静電集塵器および電気巻上機で広く使用されている。コロナ放電装置は、電極の対、たとえば、コロナ放電電極とアトラクタ電極との対に高電圧を印加することによって生成することができる。その場合、コロナ放電は、高電圧電源を電極の対に印加することによって生成される。電極は、（コロナ放電電極と呼ばれる）電極の１つの近位に不均一な電界を生成して、コロナ、および近くの相補的な電極（コレクタ電極またはアトラクタ電極と呼ばれる）に向かう、結果的なコロナ電流を生成するように構成および配置される。必要なコロナ放電電極の幾何学的形状は、典型的には、コロナ電流の流れの方法に向かうように向けられた、すなわち、コレクタ電極またはアトラクタ電極に面する、鋭い点または縁（edge）を必要とする。
【０００４】
したがって、少なくともコロナ放電電極は、電極の近傍で必要な電界の勾配を生成するように小さいか、または鋭い点もしくは縁を含まなければならない。コロナ放電は、より低いコロナ開始電圧とより高い破壊（またはスパーク）電圧との間の比較的狭い電圧の範囲で起きる。コロナ開始電圧より下方では、コロナ放電電極からイオンは放出されず、したがって、空気の加速は生成されない。一方、印加された電圧が絶縁破壊またはスパークのレベルに近づくと、スパークおよび電気的なアークが生じ、コロナ放電のプロセスを中断し、不快な電気的なアーク音を生じ得る。したがって、これら値の間で、特に流体の加速が最も効率的であるスパークレベルに近いがそのわずかに下方で高電圧を維持することが一般的に有利である。
【０００５】
静電装置でのスパークの問題に対処する特許がいくつかある。たとえば、ベーカーの米国特許第４，０６１，９６１号は、２段の静電集塵器の電源の動作周期を制御するための回路を説明している。この回路は、電源変圧器の一次巻線に直列に接続される切換装置と、切換装置を制御するように動作可能な回路とを含む。電源変圧器の一次巻線の電流を監
視するように適合された容量性ネットワークが制御回路を動作するために設けられる。通常の動作条件では、すなわち、電源変圧器の一次巻線の電流が定格の限界内であるときは、容量性ネットワークは電流が電源変圧器の一次巻線を通って流れるように制御回路を動作する。しかしながら、集塵器の構成要素間のアークによって生成され、かつ電源変圧器の二次巻線からその一次巻線へ反射される高電圧の過渡現象に関連する一次電流レベルの増加を検出すると、容量性ネットワークは制御回路を動作する。応答して、制御回路は、高電圧の過渡現象に関連するアーク状態がなくなるかまたは抑制されるまで、切換装置に変圧器の一次巻線を通る電流の流れを抑制させる。高電圧の過渡現象の終了後、ある時間間隔に続いて、切換装置は、一次巻線への電源を自動的に再確立し、これにより静電集塵器の電源の通常動作を再開する。
【０００６】
ベーカーらの米国特許第４，１５６，８８５号は、持続する過負荷が検出された後に動作可能な静電集塵器の電源のための自動電流過負荷保護回路について記載している。
【０００７】
ウェーバーの米国特許第４，３３５，４１４号は、静電集塵器の空気清浄器の電源のための自動電子リセット電流カットオフについて記載している。保護回路は、一次電力巻線、比較的高電圧を提供する二次巻線、および比較的低電圧を提供する三次巻線を有する鉄共振形変圧器を使用して電源を保護する。保護回路は、高電圧から得られた電圧を検知し、検知電圧を固定された基準と比較することにより、イオン化器またはコレクタセルでの過負荷の場合に電源の動作を抑制するように動作する。検知電圧が所定の値を下回るとき、一次の変圧器を通る電流の流れは所定の時間だけ抑制される。電流の流れは自動的に復旧され、回路は障害が解消されるまで周期的に電源を停止させる。基準電圧は三次巻線の電圧から得られ、短い持続時間の過負荷の状態に対する回路の感度が向上する。
【０００８】
先行技術によって認められているように、高電圧の印加には放電の危険がある。適用例によっては、放電は望ましい。他の多くの高電圧の適用例では、スパークは回避されるかまたは防止されるべき望ましくない事象である。これは、高電圧がスパークレベルの近くで、すなわち、絶縁破壊電圧の近くで維持される適用例に特に当てはまる。たとえば、電気集塵器は可能な最も高い電圧レベルで動作するため、スパークが生成されるのは避けられない。静電集塵器は、典型的には分あたりで５０〜１００のスパークのスパーク率を維持する。スパークが起こると、電源の出力は、通常ゼロボルトに降下し、その間に空中放電およびスパーク前の抵抗が再確立される「イオン消失時間」と呼ばれる所定の時間の経過後に動作を再開する。各スパーク事象は、高電圧装置の全体的な効率を低下させ、電極の劣化および経年変化の主な原因の１つである。スパークの発生は、多くの環境および関連する適用例、たとえば、家庭用の静電空気加速器、フィルタおよび電気器具などでは受入れられない不快な音も生じる。
【０００９】
スパークによって生じる望まれない騒音に加え、先行技術には他の非効率性もある。たとえば、コロナ放電電極およびアトラクタ電極の対は、不均一な電界を生成するように構成および配置されるべきであり、少なくとも１つの電極、すなわち、コロナ放電電極は、電極の近傍に好適な電界の勾配を提供するように比較的小さいか、および／または鋭い点または縁を含むことが多い。電極間に電圧を印加してイオンの生成のために必要な電界を効率的に生成するために使用される既知の構成がいくつかある。リーの米国特許第４，７８９，８０１号、および第６，１５２，１４６号、ならびにテイラーらの第６，１７６，９７７号は、電極の対にわたってパルス電圧波形を印加することについて記載しており、波形は１０％から１００％の間の動作周期を有する。これら特許は、そのような電圧の生成は、定常状態のＤＣ電力の印加と比較して、結果的なコロナ放電装置によるオゾンの生成を減少させると記載している。オゾンの生成を低減するためのそのような電圧生成の実際の利点にかかわらず、空気の流れの生成は１００％未満の動作周期を使用することにより実質的に減少し、結果生じる脈動性の空気の流れは不快とされる。
【００１０】
シャーマンらの米国特許第６，２００，５３９号は、約２０ｋＨｚの周波数で交流電圧を生成するための高周波数高電圧電源の使用について記載している。そのような高周波数高電圧の生成は、大きく比較的高価な電源を必要とし、典型的にはエネルギの損失が大きい。ワインバーグの米国特許第５，８１４，１３５号は、非常に狭い（すなわち、急勾配で短い持続時間の）電圧パルスを生成する高電圧電源について記載している。そのような電圧の生成は、比較的低体積かつ低速度の空気の流れのみを生成することができ、大きな空気の流れの加速または運動のためには好適ではない。
【００１１】
リーの米国特許第４，７８９，８０１号、ワインバーグの第５，６６７，５６４号、テイラーらの第６，１７６，９７７号、およびサカキバラらの第４，６４３，７４５号も、静電界を使用して空気を加速する空気運動装置について記載している。これら装置で実現される空気の速度は非常に低速であり、商業用または工業用の用途には実用的ではない。
【００１２】
エドワードの米国特許第３，６９９，３８７号および第３，７５１，７１５号は、空気の流れを向上するために連続して配置された静電空気加速器（ＥＦＡ）の複数の段の使用について記載している。これら装置は、吸引（attracting）（集電）（collecting）電極として導電性のメッシュを使用し、このメッシュは近隣のコロナ電極を分離する。メッシュは大きな空気抵抗を示し、空気の流れを損ない、ＥＦＡは望ましいより大きな流量を実現することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，２１０，８４７号
【特許文献２】米国特許第４，２３１，７６６号
【特許文献３】米国特許第４，０６１，９６１号
【特許文献４】米国特許第４，１５６，８８５号
【特許文献５】米国特許第４，３３５，４１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
残念ながら、これら装置のどれも商業的に実現可能な量の空気の流れを生成することはできない。従来の空気運動装置の複数の段を設けることは、それ自身では解決策を提供しない。たとえば、連続して配置された静電流体加速器の５つの直列の段は、１つの段のみよりも１７％大きい空気の流れをもたらすのみである。たとえば、スパージオンの米国特許第４，２３１，７６６号を参照されたい。同様に、電極の互いに対する相対的な場所を変えても、ＥＦＡの性能および流体の速度の改善は限られている。たとえば、米国特許第４，８１２，７１１号は、わずか０．５ｍ／ｓの空気の速度の生成を報告しており、商業的な扇風機および送風機に期待されかつそこから利用可能なものをはるかに下回る。
【００１５】
したがって、商業的に有用な流量を生成しつつ、スパークなどの望ましくない寄生的な影響を最小化することのできる実用的な静電流体加速器が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
この発明は、効率を向上し、大きな出力を提供し、スパークおよびオゾンの生成の低減などの寄生的な影響を低減または排除するためのイオン発生装置およびプロセスに向けられた特徴を含む。
【００１７】
スパーク開始電圧レベルは電極の同じセットでも一定の値を有さないことがわかっている。スパークは突然の事象であり、確実に予測することはできない。電気的なスパークの
発生は予測不可能な事象であることが多く、複数の原因によって引起され、それらの大半ではないとしても多くは一時的な状態である。スパークの開始は、湿度、温度、汚染およびその他のような流体（すなわち、絶縁体）の状態とともに変動する傾向がある。電極の同じセットでは、スパーク電圧は１０％以上の開始の幅の変動を有し得る。
【００１８】
当該技術分野で知られる高電圧の適用例および装置は、典型的にはスパークが生成されて初めてスパークに対処する。すべてのスパークが回避されるべきであれば、動作電圧は比較的低いレベルに維持しなくてはならない。必然的に低減される電圧レベルは、静電流体加速器および集塵器などの関連する装置の空気の流量および装置の性能を低下させる。
【００１９】
上述のように、以前の技術および装置は、スパークの開始後に初めてスパーク事象に対処し、スパークが生じるのを防止するための商業的に実用的な技術的な解決策はなかった。（単に存在するアークを消すのではなく）スパークを回避しつつ、スパークを生成しそうな範囲内に電圧レベルを維持するための動的な機構を提供することは、より効率的な動作に繋がり、スパークに伴う電気的なアーク音を回避する。
【００２０】
この発明の１つの特徴は、これに限らないがコロナ放電システムなどの装置のための高電圧の生成を可能にする。この発明は、完全な絶縁破壊およびスパーク放電より或る時間前にスパークの開始を検出する能力を提供する。この発明の特徴である、「無慣性の」高電圧電源を用いることによって、スパークに関連する放電を管理することができる。このようにして、スパーク開始レベルに実質的により近い高電圧レベルを用いつつ、スパークの発生を防止することが実用的になる。
【００２１】
この発明の特徴および局面は、絶対的なスパークの抑制が必要とされないか、または望ましくないこともあり得るようなスパーク管理にも向けられる。
【００２２】
この発明の一局面によると、スパーク管理装置は、高電圧電源、および負荷装置に提供される電流のパラメータを監視するように構成された検出器を含む。パラメータに応答して、スパーク前の状態が識別される。切換回路はスパーク前の状態の識別に応答して、負荷装置に提供される電流を制御する。
【００２３】
この発明の特徴によると、高電圧電源は、一次電源を高電圧の電源に変換して電流を供給するように構成された高電圧電源を含み得る。
【００２４】
この発明の別の特徴によると、高電圧電源は、昇圧変圧器、および出力が昇圧電圧器の一次巻線に接続されている交流（ａｃ）パルス発生器を含む高電圧の電源を含み得る。整流回路は、昇圧変圧器の二次巻線に接続されて高電圧レベルで電流を提供する。
【００２５】
この発明の別の特徴によると、高電圧電源は、低慣性の出力回路を有する高電圧電源を含み得る。
【００２６】
この発明のさらに別の特徴によると、高電圧電源は、電流の流れを監視するように動作可能な制御回路を含み得る。スパーク前の状態の検出に応答して、電流の電圧はスパークの発生に貢献しないレベルに下げられる（たとえば、スパークレベルより下）。
【００２７】
この発明のさらに別の特徴によると、負荷回路は、スパーク前の状態の識別に応答して、電流の実質的な部分を選択的に受取るために高電圧電源に接続されてもよい。負荷回路は、たとえば、電気エネルギを消散するための電気装置（たとえば、電気エネルギを熱エネルギに変換する抵抗器）、または電気エネルギを蓄えるための電気装置（たとえば、キャパシタまたはインダクタ）であり得る。負荷装置は、電流を受取ってコロナ放電を作る
ように構成された複数の電極を含むコロナ放電装置の異なる段などの何らかの動作装置を含んでもよい。コロナ放電装置は、静電空気加速装置、静電空気清浄器および／または静電集塵器の形であってもよい。
【００２８】
この発明の別の特徴によると、切換回路は、電源によって供給される一次負荷装置に加え、選択的に補助装置に電力を与えるための回路を含んでもよい。初期のスパークが検出されると、一次装置に定期的に供給される電力の少なくとも一部分は、スパーク前の状態の識別に応答して補助装置に向けられ、一次装置の電圧を低下させ、スパークを回避する。一次負荷および装置の１つまたは両方は、コロナ放電構成によって作られた静電力の影響下で流体を加速するように構成された空気処理装置であってもよい。
【００２９】
この発明の別の特徴によると、検出器は、スパーク前の状態に関連する電流レベルまたは波形の変化、電圧レベルまたは波形の変化、もしくは磁気的、電気的または光学的な事象を含む現象に感度があってもよい。
【００３０】
この発明の別の局面によると、スパーク管理の方法は、装置に高電圧電流を供給するステップと、高電圧電流を監視して装置のスパーク前の状態を検出するステップとを含む。高電圧電流は、スパーク前の状態に応答して制御され、スパーク前の状態に関連するスパーク事象の発生を制御する。
【００３１】
この発明の別の特徴によると、監視するステップは、高電圧電流で電流スパイクを検知するステップを含み得る。
【００３２】
この発明の特徴によると、高電圧電流を供給するステップは、電源を一次電圧レベルから一次電圧レベルより高い二次電圧レベルに変圧するステップを含み得る。二次電圧レベルの電力を整流して、高電圧電流を装置に供給してもよい。これは、出力電圧または装置の電圧、たとえば、コロナ放電空気加速器のコロナ放電電極の電圧レベルを低減するステップを含んでもよい。電圧はスパークの発生に貢献しないレベルに低減してもよい。制御は、高電圧電流の少なくとも一部分を補助負荷装置を経由させることによっても実現することができる。経由させるステップは、高電圧電流を供給する高電圧電源の出力回路に抵抗器を切換えることによって行なうことができる。
【００３３】
この発明の別の特徴によると、付加的なステップは、流体をコロナ放電電極に導入するステップと、高電圧電流でコロナ放電電極に通電するステップと、流体にコロナ放電を生成するステップと、コロナ放電の影響下で流体を加速するステップとを含む。
【００３４】
この発明の別の局面によると、静電流体加速器は、コロナ放電電極およびコレクタ電極のアレイ、ならびに電気的にアレイに接続されて高電圧電流をコロナ放電電極に供給する高電圧電源を含んでもよい。検出器は、高電圧電流の電流レベルを監視して、応答してスパーク前の状況を識別するように構成してもよい。切換回路は、スパーク前の状態の識別に応答して高電圧電流を制御してもよい。
【００３５】
この発明の特徴によると、切換回路は、スパーク前の状態に応答して高電圧電源によるコロナ放電電極への高電圧電流の供給を抑制するように構成してもよい。
【００３６】
この発明の別の特徴によると、切換回路は、スパーク前の状況の識別に応答して高電圧電流の少なくとも一部分を受取るように構成されたダンプ抵抗器を含んでもよい。
【００３７】
コロナ放電スパークには、差し迫ったスパーク事象の発生を伝える或る観測可能な電気的な事象が先行し、それを監視して絶縁破壊が生成しそうなときを予測できることがわか
っている。スパークの指標は、電流の増加、またはコロナ放電の近傍での磁界の変化または変動（たとえば、増加）、もしくは回路内または電極の環境での観測可能な状態であり得る。特に、スパーク事象には典型的にはコロナ電流の増加が先行することが実験的に明らかになっている。この電流の増加は、スパーク事象の短い時間（すなわち、０．１から１．０ミリ秒）前に起こる。電流の増加は、関連する電気的な放電の約０．１〜１．０ミリ秒（ｍｓｅｃ）前に見られる短い持続時間の電流スパイクの形であり得る。この増加は実質的には電圧の変化には非依存である。スパーク事象を防止するために、初期の電流スパイクを検出して、およびコロナ放電電極に印加されるおよび／またはコロナ放電電極の電圧レベルをスパークレベルを下回るように急速に低下させる必要がある。
【００３８】
そのようなスパーク管理を可能にするためには２つの条件を満たさなければならない。第１に、高電圧電源は、スパーク事象が発生する前に、すなわち、事象の検出からスパーク事象の開始までの時間内に出力電圧を急速に低下させることができなければならない。第２に、コロナ放電装置は、スパークの前に、蓄えられた電気エネルギを放電すること、すなわち、放電することができなければならない。
【００３９】
コロナ電流の増加とスパークとの間の時間は０．１〜１．０ｍｓｅｃのオーダーである。したがって、コロナ放電装置（電源および電力を供給されているコロナ放電電極のアレイを含む）に蓄えられた電気エネルギは、蓄えられたエネルギを短い時間、すなわち、ミリ秒以下の範囲の短い時間で消散させることができなければならない。さらに、高電圧の電源は、電圧の生成を好ましくはミリ秒以下またはマイクロ秒の範囲で中断するために、「低慣性の」特性（すなわち、その出力での電圧レベルを急速変化させることができる）および回路を有さなくてはならない。そのような急速な電圧の減少は、蓄えられたエネルギが少ない１００ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲で動作する高周波切換高電圧電源、および出力電圧を急速に低下または停止するための回路を使用して実際に可能である。そのような能力を提供するため、電源は、コロナ電流のスパイクの検出と結果的なスパーク事象との間の時間よりも小さい「シャットダウン」期間（すなわち、高電力出力を中止するために必要な時間）で高い切換周波数で動作しなければならない。最新技術の電源は１ＭＨｚまでの切換周波数で動作することができ、特に適切に設計された（たとえば、無慣性の）電源は、必要なミリ秒以下の範囲で電力の生成を中断することができる。つまり、電源を停止し、出力電圧を安全なレベル、すなわち、スパークの形の放電の開始を十分に下回るレベルに大きく低下させることができる。
【００４０】
電気的なスパークに先行する電気的な事象を検出するためにさまざまな技術がある。電流センサは、ピーク、または平均、もしくはＲＭＳ、またはその他の出力電流の大きさまたは値、ならびに電流の変化率、すなわち、ｄＩ／ｄｔを測定するために使用することができる。またはこれに代えて、電圧センサを使用して、電圧供給の電圧レベルまたはＡＣ成分の電圧レベルを検出してもよい。差し迫ったスパーク事象を識別するために監視可能な別のパラメータは、出力電圧の降下、または出力電圧のＡＣ成分の電圧の時間に対する第１の導関数（すなわち、ｄＶ／ｄｔ）である。スパークの形の放電に先行する電界または磁界の強度もしくはコロナ放電での他の変化を検出することも可能である。これら技術の共通の特徴は、コロナ電流のスパイクの増加には出力電圧の増加または実質的な電力のサージ（surge）が伴わないことである。
【００４１】
異なる技術を用いて、電源によって生成される出力電圧を急速に低下させてもよい。好ましい方法は、電力トランジスタ、またはＳＣＲ、もしくは昇圧変圧器の一次に供給されるパルス高周波ａｃ電力を作る電源の他の切換構成要素を停止して、電力生成プロセスを中断することである。この場合、切換構成要素は動作しないようにされ、負荷には電力は生成または供給されない。この方法の欠点は、電源の構成要素、特にキャパシタおよびインダクタなどの出力フィルタリング段に蓄積された残留エネルギ（浮遊容量および漏れイ
ンダクタンスを含む）をどこかに解放しなければならない点、すなわち、適切なエネルギのシンク（sink）、典型的には「グラウンド」に放電しなければならない点である。何らかの急速な放電機構がないと、電源によって蓄えられた残留エネルギが負荷に解放され、出力電圧が低下する速度を低速化する（すなわち「低下させる」）。またはこれに代えて、好ましい構成および方法は、磁気的な構成要素（変圧器および／または複数の巻線のインダクタ）の一次巻線（すなわち、巻線の端子を相互接続する）を電気的に「ショート」させて、磁界を崩壊させることにより蓄えられたエネルギを消散させ、エネルギが負荷に伝達されないようにするものである。別の、より根本的な方法は、電源の出力を比較的低い値の抵抗にショートさせる。この抵抗は、しかしながら、スパーク抵抗よりもずっと高くなければならず、同時に、スパーク事象の直前に現われるような電源を供給されているコロナ放電装置の動作抵抗よりも低くなくてはならない。たとえば、高電圧のコロナ装置（たとえば、静電流体加速器）がスパークの検出の直前には１ｍＡの電流を消費し、電源からの出力電流が、スパーク事象中（または他のショート回路状態）に電流制限装置（たとえば、一連の電流制限抵抗）により１Ａに制限される場合、負荷に（すなわち、コロナ放電装置のコロナ放電電極およびアトラクタ電極の間に）印加される「ダンピング」抵抗は、１ｍＡより大きいが（すなわち、抵抗を低くして、通常動作の負荷電流よりも多くの電流を伝えなければならない）、１Ａよりも小さく生じなければならない（すなわち、最大のショート電流によって制限される電流よりも小さい）。この付加的なダンピング抵抗は、高電圧のリードタイプのリレーまたは他の高電圧高スピードのリレーもしくは切換構成要素（たとえば、ＳＣＲ、トランジスタ等）により電源の出力に接続されてもよい。無慣性の高電圧電源の共通のかつ重要な特徴は、初期のスパーク事象に先行しかつそれを示す電気的な事象から、何らかの介入がない場合にスパークが実際に起こったであろう時間までの時間よりも短い時間で、すなわち、典型的にはミリ秒以下またはマイクロ秒の範囲で電力の生成を中断することができる点である。
【００４２】
そのような無慣性の電源の別の重要な特徴は、電源の構成要素に蓄積されかつ蓄えられた残留エネルギが、負荷、たとえば、コロナ放電装置での放電プロセスを実質的に減速させるべきでないか、またはさもなければ妨げるべきでないという点である。たとえば、コロナ放電装置がそれ自身の電気エネルギを５０マイクロ秒で放電し、スパーク事象までの最小の予想時間が１００マイクロ秒である場合、電源は放電時間に５０マイクロ秒より多く付加してはならず、実際の放電時間は１００マイクロ秒を超えない。したがって、高電圧電源は、電力トランジスタなどのアクティブな構成要素がオフにされた後にコロナ放電装置にそれらのエネルギを放電し得るキャパシタまたはインダクタのようなエネルギ蓄積構成要素を使用するべきではない。この能力および機能性を提供するため、高電圧変圧器は、比較的小さな漏れインダクタンスを有し、かつ出力フィルタ容量性が小さいかまたは出力フィルタ容量性を有さないべきである。電圧乗算器およびフライバックインダクタを含む従来の高電圧電源のトポロジーは、そのようなスパーク管理または防止に一般的には好適ではない。
【００４３】
この発明は、イオン発生プロセスが単に電圧を２つの電極に印加するよりも複雑であるという事実を認めるかまたは理解するために先行技術の欠点に対処する。先行技術のシステムおよび方法は、一般的には、大きな空気の流れを生成すると同時にオゾンの生成を制限することができない。
【００４４】
コロナ関連のプロセスは３つの共通の局面を有する。第１の局面は、流体の媒体内での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の分子および異物の粒子の帯電である。第３の局面は、対向する（コレクタ）電極に向けての（すなわち、電界線に沿った）帯電した粒子の加速である。
【００４５】
イオンによって引起される空気または他の流体の加速は、イオンの量（すなわち、数）
および流体の粒子の近くで電荷を誘発して流体の粒子を対向する電極に向かって推進するそれらの能力に応じて異なる。同時に、オゾンの発生は、電極に印加された電力に実質的に比例する。イオンが流体に導入されると、それらは粒子および中性に帯電した流体の分子に付着する傾向がある。各粒子は、特定の粒子のサイズに応じて限られた量の電荷のみを受取ることができる。以下の式によると、電荷の最大量（いわゆる飽和電荷）は次のように表わすことができる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
ここでｄp＝粒子サイズ、εrは電極の対の間の絶縁材料の誘電率、ε0は真空での誘電
率である。
【００４８】
この式から、或る数のイオンが流体に導入されると近くの分子および周囲の粒子を最大レベルに帯電させることがわかる。このイオンの数は１つの電極から別の電極に流れる電荷の数を示し、２つの電極間を流れるコロナ電流を決定する。
【００４９】
一旦帯電されると、流体の分子は電界の向きで対向するコレクタ電極に引付けられる。力Ｆが作用するこの方向付けられた空間は、電界の強度Ｅに依存する電荷Ｑを有する粒子を動かし、これは電極に印加される電圧に比例する。
【００５０】
Ｆ＝−Ｑ*Ｅ
コロナ電流により最大数のイオンが流体に導入されかつ結果的な電荷が印加された電圧のみにより加速される場合、実質的な空気の流れが生成され、平均的な電流消費は実質的に低減される。これは、電極間の電圧が実質的に一定であるときに、コロナ電流が何らかの最低の値から最大の値へと値がどのように変化するかを制御することによって実現可能である。言い換えると、（印加される平均的な高電圧に比例して）電極に印加される電力電圧の高電圧リップル（または、交流成分）を最小化しつつ、電流のリップルを実質的に高く保ち、理想的には電流の全平均またはＲＭＳの振幅に匹敵するように保つことが有利であることがわかっている。（別段の記載がないかまたは用法により暗示されない場合、ここで使用されるように、「リップル」という言葉および「交流成分」という語句は、正弦波、正方形、鋸歯状、不規則、複合等の時間的に変動するすべての信号波形を含む信号の時間的に変動する成分を指し、さらに「交流」または「ａｃ」としても知られる双方向性の波形およびパルス直流電流または「パルスｄｃ」などの一方向性の波形の両方を含む。さらに、文脈によって別に示されない限り、これらに限らないが「リップル」、「ａｃ成分」、「交流成分」等を含む言葉とともに使用される「小さい」、「大きい」等の形容詞は、信号の電位（または「電圧」）および信号の流量（または「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示す。電圧波形と電流波形とのそのような区別は、コロナ電極およびアトラクタ電極のコロナ発生アレイのリアクタンス性（容量性）の成分によってコロナ関連の技術および装置で可能である。容量性成分は比較的低い振幅の電圧交流成分を生じ、比較的大きい対応する電流の交流成分を生成する。たとえば、小さいリップルで高電圧を生成する電源をコロナ装置で使用することが可能である。これらリップルは比較的高周波数「ｆ」でなければならない（すなわち、１ｋＨｚよりも大きい）。以下のように、電極（すなわち、コロナ電極およびコレクタ電極）は、高周波数の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を示すようにそれらの互いの容量Ｃ
が十分に大きくなるよう設計される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
電極は、非リアクタンス性のｄｃ抵抗およびリアクタンス性のａｃ容量性インピーダンスの並列接続を表わすか、またはそれとして見ることができる。オーム抵抗によりコロナ電流は１つの電極から別の電極へと流れる。この電流の振幅は、印加された電圧の振幅にほぼ比例し、実質的に一定である（ｄｃ）。容量性インピーダンスは、電極間の電流のａｃ部分を生じさせる。この部分は、印加された電圧のａｃ成分の振幅（「リップル」）に比例し、かつ電圧の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ａｃ成分の振幅は電流のｄｃ成分よりも少ないかまたは大きくなり得る。
【００５３】
小さな振幅のリップルで高電圧（すなわち、フィルタリングされたｄｃ電圧）を生成することができるが、電極にわたって比較的大きなａｃ成分（すなわち、大きな振幅の電流のリップル）で電流を提供する電源により、イオンの発生および流体の加速が向上され、空気の場合には、オゾンの生成が大きく低減されるかまたは最小化される。したがって、コロナ電流のｄｃ成分の振幅によって除したコロナ電流のａｃ成分の振幅として規定される比率または分数として表現される電流のリップル（すなわち、Ｉａｃ／Ｉｄｃ）は、電圧のリップルよりかなり大きく（すなわち、少なくとも２倍）、好ましくは電圧のリップルの少なくとも１０倍，１００倍であり、より好ましくは、電圧のリップルの１０００倍の大きさで、後者は、同様に、ｄｃ成分の振幅によって除したコロナ放電電極に印加される電圧の時間的に変動する成分またはａｃ成分の振幅として規定される（すなわち、Ｖａｃ／Ｖｄｃ）。
【００５４】
さらに、最適なコロナ放電装置の性能は、平均的な電圧の振幅に対して出力電圧が小さな振幅の電圧交流成分を有するときに実現され、電極および介在する絶縁体を通る流れ（すなわち、加速される流体）は、電圧の交流成分（ｄｃ電圧に対する）より少なくとも２倍、より好ましくは１０倍大きく（ｄｃ電流成分に対して）、すなわち、電流のａｃ／ｄｃの比率は、２倍、１０倍だけ大きく、または印加される電圧のａｃ／ｄｃの比率よりも大きい。つまり、結果的な電流が以下の関係を満たすようにコロナ放電電極に電圧を生成することが好ましい。
【００５５】
【数３】
【００５６】
上述の要件のいずれかが満たされる場合、電流および電圧のａｃ／ｄｃの比率がほぼ等しい場合の電源と比較して、結果的なコロナ放電装置は、動かされる流体の立方フィートあたりの消費電力が少なくなり、（空気の場合）オゾンの生成が少なくなる。
【００５７】
これら要件を満たすため、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なければならない。特に、電源は、最低限のみの、かつ同時に比較的高周波数のリップルで高電圧の出力を生成しなければならない。コロナ発生装置自身は、電極を通る、すなわち、１つの電極から別の電極への実質的に高周波数の電流の流れを提供する所定の値の設計された浮遊または寄生キャパシタンスを有するべきである。電源が低周波数のリップルを生成する場合、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に
は匹敵しない。電源が非常に小さいリップルを生成するかまたはリップルを生成しない場合、交流電流は直流電流には匹敵しない。コロナ発生装置（すなわち、電極のアレイ）が低いキャパシタンス（寄生および／または電極の間の浮遊キャパシタンスを含む）を有する場合、交流電流はこの場合も直流電流には振幅で匹敵しない。大きな抵抗が電源と電極のアレイとの間に設けられると（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）、ａｃ電流のリップルの振幅は減衰され（すなわち、減少し）、振幅では電流のｄｃ（すなわち、一定）成分のそれに匹敵しない。したがって、所定の電圧および電流の関係が存在するように或る条件が満たされる場合のみ、コロナ発生装置は最適に機能して、十分な空気の流れを提供し、動作効率が向上され、望ましいオゾンのレベルが得られる。結果的な電源は、費用もかからない。
【００５８】
特に、リップルを発生する電源は、さもなければ電源の出力に接続された比較的高価でかつ物理的に大きな高電圧のキャパシタによって提供される出力のフィルタリングを必要としない。これだけでも電源は費用がかからなくなる。さらに、そのような電源はより少ない「慣性」を有し、すなわち、蓄えられるエネルギが少なく、出力の振幅の変動を減衰させる傾向があり、したがって、リップルのないまたは無視可能なリップルの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。
【００５９】
この発明は、先行技術の空気の流れについての限界および一般的な能力のなさにおけるいくつかの欠点に対処して理論的に最適の性能を実現する。これら欠点の１つは、複数段のＥＦＡ装置に対する過度のサイズの要件を含む。連続して配置されるＥＦＡのいくつかの段はエアダクトに沿って（すなわち、空気の流れの方向に沿って）かなりの長さを必要とするためである。この長いダクトは空気の流れに対してより大きな抵抗を与える。
【００６０】
段が互いに近くに配置されるときにさらに他の問題が生じる。段の間の間隔を低減すると、１つの段のアトラクタ電極と隣接する次の段のコロナ放電電極との間に「バックコロナ」が生成されることがあり、逆の空気の流れが生じる。さらに、近隣の段の間の電気的なキャパシタンスにより、近隣の段の間に寄生電流の流れがある。この電流は、近隣の段の間の非同期の高電圧のリップル、または高電圧のパルスによって引起こされる。
【００６１】
大きいかまたは複数の段を使用して、各別々の（またはグループの）段にそれ自身の高電圧電源（ＨＶＰＳ）が設けられるようにすると別の問題が生じる。この場合、コロナ放電を作るために必要な高電圧が、許容不可能なレベルのスパークを電極間に発生させ得る。スパークが発生すると、ＨＶＰＳは、動作を再開する前にイオン消失およびスパークの消失のために必要な或る時間だけ完全に停止しなければならない。電極の数が増加すると、スパークは電極の１つのセットの場合よりも頻繁に発生する。１つのＨＶＰＳがいくつかの電極のセット（すなわち、いくつかの段）に供給する場合、発生するより多くのスパークを消すためにより頻繁に停止する必要がある。このことはシステム全体に対して電力の中断の望ましくない増加に繋がる。この問題に対処するため、各段にはそれ専用のＨＶＰＳから供給すると有利である。しかしながら、別々のＨＶＰＳを使用すると、近隣の段の電極間の浮遊キャパシタンスによって引起こされる望ましくない電気的な相互作用を回避するためおよびバックコロナの生成を避けるため、連続する段の間隔をより大きくする必要がある。
【００６２】
この発明は、ＥＦＡの段の間隔をより近づけることにより空気の流れを増加させつつ望ましくない影響の導入を最小化するかまたは回避するための新規の解決策を提示する。この発明は、電極の幾何学的形状、互いの場所および電極に印加される電圧の組合せを実現して性能を向上する。
【００６３】
この発明の特徴によると、複数のコロナ電極および集電電極は、互いに平行に位置付けられるか、または空気の流れの方向に垂直なそれぞれの平面の間に延在するように位置付けられる。近隣の段のすべての電極は互いに平行であり、近隣の段の電極はすべて互いに平行であり、同じ種類の電極（すなわち、コロナ放電電極または集電電極）はすべて、同じ種類の電極または電極の縁がある平面に直交する同じ平行な平面に配置される。別の特徴によると、近隣の段の電極間のコロナ放電を回避するかまたは最小化するために段の間隔が狭められる。隣接する電極間の最も近い間隔が「ａ」である場合、第１の電極に印加される電圧Ｖ１と最も近い第２の電極に印加される電圧Ｖ２との間の電位差（Ｖ１−Ｖ２）と電極間の距離との比率は、規格化された距離「ａＮ」であり、ａＮ＝（Ｖ１−Ｖ２）／ａである。１つの段のコロナ放電ワイヤから近隣の段の最も近い部分への正規化された距離は、これら電極間に印加されるコロナ開始電圧を超えなければならず、これは実際には、逆コロナの生成を防止するために、それがコロナ放電から対応する関連の（すなわち、最も近い）吸引電極への正規化された距離の１．２倍から２．０倍以上でなければならないことを意味する。
【００６４】
最後に、近隣の段に印加される電圧は同期されかつ同位相にされるべきである。つまり、近隣の段の電極に印加される電圧のａｃ成分は、同時に上下し、かつ実質的に同じ波形および大きさおよび／または振幅を有するべきである。
【００６５】
この発明は、（典型的には単位長さあたりの段で測定された）ＥＦＡの電極の密度を増加させ、電極間の浮遊電流を排除または大きく減少させる。同時に、この発明は、近隣の段の電極間のコロナ放電（たとえば、バックコロナ）を排除する。これは、部分的には、近隣のＥＦＡの段に実質的に同じ電圧の波形で電力を供給することによって実現され、すなわち、近隣の電極の電位は、段の間の作動電圧を排除または低減するために同じかまたは非常に類似の交流成分を有する。段の間でそのように同期して動作することで、隣接するＥＦＡの構成要素の近隣の電極間の電位差は一定になり、１つの電極から別の電極への結果的な浮遊電流は最小化されるかまたは完全に回避される。同期は異なる手段によっても実現可能であるが、対応する電源からの同期されかつ同位相にされたそれぞれの電圧で、またはそれぞれの印加された電圧の類似の振幅のａｃ成分を提供するように同期された電源で近隣のＥＦＡ構成要素に電力を供給することによるのが最も容易である。これは、近隣のＥＦＡ構成要素に接続された同じ電源で、または印加された電圧の同期かつ同位相にされたａｃ成分を生成する異なる好ましく適合された電源で実現することができる。
【００６６】
この発明は、先行技術の空気の流れの限界および一般的な能力のなさにおける他の欠点にも対処して理論的に最適の性能を実現する。これら欠点の別のものは、商用に好適な大きな流体の流れを生成する能力が限られていることを含む。さらに別の欠点は、高い強度の電界の発生を避けるために（コロナ電極以外に）大きな電極の構造を必要とする点である。物理的な大きな電極を使用すると、流体の流れの抵抗が増加し、ＥＦＡの能力および効率が制限される。
【００６７】
ＥＦＡが最大の能力でまたはその近くで、すなわち、最大の電圧が印加され電力が消費されて動作するときにさらに別の問題が生じる。この場合、印加される動作電圧は、典型的には誘電破壊電圧の近くに維持されるため、スパークおよび／またはアークなどの望ましくない電気的な事象を生じ得る。さらに別の欠点は、意図されない接触が電極の１つに行なわれたときに生じることがあり、大きな電流の流れが人を通る可能性があり、これは
不快でありかつ危険でもある。
【００６８】
典型的にコロナ電極として用いられる細いワイヤを使用すると、さらに別の問題が生じる。そのようなワイヤは、比較的細くなくてはならず（通常は、直径が約０．００４''）、脆く、したがって手入れまたは取扱いが難しい。
【００６９】
より強力な流体の流れが必要であるかまたは望ましいときに（たとえば、より大きな流量）、別の問題が生じる。従来の複数段の配置は、それぞれの電界への互いの干渉を避けるためにコロナ電極は互いから最小の距離になければならないため、比較的低い電極の密度に繋がる（したがって、不十分な最大到達可能な電力に繋がる）。間隔の要件によって体積が増加し、かつ電極の密度が制限される。
【００７０】
この発明の特徴は、加速電極の構成および製造で抵抗の高い材料を使用することにより新規の電極の幾何学的形状および最適化された互いの電極の場所（すなわち、電極間の幾何学的形状）を使用して流体の流れを増加するための新規の解決策を提供する。
【００７１】
この発明の特徴によると、複数のコロナ電極および加速電極は互いに平行に位置付けられ、電極の一部は空気の流れの方向に垂直なそれぞれの平面間に延在する。コロナ電極は、金属または導電性セラミックなどの導電性の材料で作られる。コロナ電極は、細いワイヤ、刃または帯の形であってもよい。コロナ放電はコロナ電極の狭い面積で起こり、これら狭い面積はここでは「イオン化端」と称される。これら端は、一般的には所望の流体の流れの方向に関してコロナ電極の下流側にある。他の電極（たとえば、加速電極）は、流体の流れの主な方向に延在するバーまたは細い帯の形である。一般的に、コロナ電極の数は、加速電極の数に１を加えたものに等しい。つまり、各コロナ電極は１つまたは２つの隣接する加速電極に対向しかつ平行に位置付けられる。
【００７２】
加速電極は高抵抗の経路を提供する高抵抗の材料で作られ、すなわち、電極にわたって大きな電圧の低下を生じることなくコロナ電流を容易に伝える高抵抗率の材料で作られる。たとえば、加速電極は、炭素入りプラスチック、ケイ素、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、セレン化カドミウムなどの比較的高抵抗の材料で作られる。これら材料は、典型的には、１０３から１０９'Ω−ｃｍの範囲の、より好ましくは
、１０５から１０８'Ω−ｃｍの間、より好ましくは１０６から１０７'Ω−ｃｍの範囲の固有の抵抗率ρを有する。）
同時に、電極の幾何学的形状は、スパークまたはアークなどの局所的な事象または外乱が、大きな電流の増加または音を発生することなく終了されるように選択される。
【発明の効果】
【００７３】
この発明は、（典型的には体積当たりの「電極の長さ」で測定された）ＥＦＡの電極の密度を増加させ、電極の物理的な厚みに関連するような電極によって引起こされる空気力学的な流体の抵抗を大きく減少させる。この発明の付加的な利点は、電極に印加される動作電圧が電気的な絶縁破壊の限界にどれだけ近づいても、それにかかわらず実質的にスパークのない動作を提供するという点である。この発明のさらに別の利点は、電極をより丈夫でかつ信頼性のおけるものにする頑強なコロナ電極の形状を提供する点である。電極の設計によって、「故障のない」ＥＦＡを作ることができ、たとえば、意図せずに接触された場合に安全性を脅かす危険を生じないものを作ることができる。
【００７４】
この発明のさらに別の利点は、コロナ放電を提供するために固体材料以外を使用した電極の使用である。たとえば、コロナ放電の放出、より大きな電気処理能力の支援のために導電性の流体を効率的に用いて、流体の速度を増加させることができる。さらに、流体は、コロナ放電のシース（sheath）の近傍で電気化学的なプロセスを変えることができ、た
とえば、（空気の場合）、固体のコロナ材料によって生成されるよりもオゾンの生成が少なくなり、または通過する流体の化学的な変質をもたらす（瞬間的な有害な気体の破壊）。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】高電圧電源（ＨＶＰＳ）の概略的な回路図であり、低い振幅の高周波数の電圧リップルを有する高い振幅のｄｃ電圧も生成する絶縁破壊開始レベルをある程度余裕をもって下回るレベルに電圧出力レベルを急速に低下させるように制御可能な低慣性の出力回路を備える。
【図２】コロナ放電装置などの高電圧装置でのスパーク事象を防止するように構成された別の高電圧電源の概略的な回路図である。
【図３】高電圧装置でのスパーク事象の発生を防止するように構成された別の高電圧電源の概略的な回路図である。
【図４】高電圧装置でのスパーク事象の発生を防止するように構成された高電圧電源の概略的な回路図である。
【図５】スパーク事象を予測しかつ回避するように構成されたＨＶＰＳから電力を受取る静電流体加速器のコロナ放電電極での出力コロナ電流および出力電圧のオシロスコープのトレースである。
【図６】ＨＶ電力を静電装置に供給するように接続されたＨＶＰＳの図である。
【図７Ａ】ｄｃ電圧およびｄｃ＋ａｃ電流を生成する電源の概略図である。
【図７Ｂ】経時的に電圧および電流の振幅を別々に示す電源出力の波形図である。
【図８Ａ】（ｉ）空気の流れを最適化し、（ii）電力消費を低減し、および／または（iii）オゾンの生成を最小化するように不十分な電極間の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８Ｂ】図１に示されるような電源から利益を得、かつそれと協働するように最適化されたコロナ放電装置の概略図である。
【図９】コロナ放電装置に印加される高電圧および結果的なコロナ電流のオシロスコープのトレースである。
【図１０Ａ】隣接するコロナ放電の段に供給する１つの高電圧電源を備えた静電流体加速器（ＥＦＡ）アセンブリの概略図である。
【図１０Ｂ】それぞれの隣接するコロナ放電の段に供給する同期された電源の対を備えたＥＦＡアセンブリの概略図である。
【図１１Ａ】段の間にａｃ差動電圧成分を備えない近隣のＥＰＡの段の電極間の電圧および電流のタイミング図である。
【図１１Ｂ】小さな電圧のリップルが段の間に存在する近隣のＥＦＡの段の電極間の電圧および電流のタイミング図である。
【図１２】出力電圧が同期された高電圧電源サブアセンブリの対を含む電源ユニットの概略図である。
【図１３Ａ】第１の電極配置の幾何学的構成を実現する２段のＥＦＡアセンブリを示す概略的な上面図である。
【図１３Ｂ】第２の電極配置の幾何学的構成を実現する２段のＥＦＡアセンブリを示す概略的な上面図である。
【図１４】電気的に対向する高抵抗加速電極から間隔をあけて配置され、細いワイヤとして形成されるコロナ電極を備えたＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１５】ワイヤとして形成されるコロナ電極と、高抵抗バーとして形成される加速電極とを備え、後者が外側のシェル内に全体が封入された導電性部分を備えるＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１６】ワイヤとして形成されるコロナ電極と、高抵抗バーとして形成される加速電極とを備え、加速電極の幅に沿って変動するかまたは段階的な導電性を有する隣接したセグメントを備えたＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１７】電気的に対向する高抵抗加速電極間に位置する薄い細片の形をしたコロナ電極を備えたＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１８Ａ】流体内と、対応する加速電極の本体内とにおけるコロナ電流分配を示す図である。
【図１８Ｂ】スパークまたはアーク事象の結果として生じる電流の経路を示す図である。
【図１９】櫛状の加速電極を示す概略図である。
【図２０】導電性流体で満たされ、高抵抗加速電極の間に挿入される中空で滴状のコロナ電極を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
好ましい実施例の説明
図１は、静電流体加速器などの高電圧装置でスパーク事象の発生を防止するように構成された高電圧電源（ＨＶＰＳ）１００の概略的な回路図である。ＨＶＰＳ１００は、一次巻線１０７および二次巻線１０８を備えた高電圧昇圧変圧器１０６を含む。一次巻線１０７はハーフブリッジインバータ（電力トランジスタ１０４、１１３およびキャパシタ１０５、１１４）を介してＤＣ電圧源１０１により提供されるａｃ電圧に接続される。ゲート信号コントローラ１１１は、トランジスタ１０４、１１３のゲートで制御パルスを生成し、その周波数は、ＲＣタイミング回路を形成する抵抗器１１０およびキャパシタ１１６の値によって決定される。二次巻線１０８は、全波ブリッジ整流回路として構成された４つの高電圧（ＨＶ）高周波ダイオードを含む電圧整流器１０９に接続される。ＨＶＰＳ１００は、ＨＶ装置または電極（たとえば、コロナ放電装置）に接続される端子１２０とグラウンドとの間で高電圧を生成する。ＨＶ装置に印加される電圧、たとえば、コロナ放電電極のアレイにわたって印加される電圧のＡＣ成分は、高電圧キャパシタ１１９によって検知され、検知された電圧は、ツェナーダイオード１２２によって制限される。出力電圧がスパークに先行する特徴的な電圧の変動を示すと、変動の特徴的なＡＣ成分は抵抗器１２１にわたる比較的大きな信号レベルに繋がり、トランジスタ１１５をオンする。トランジスタ１１５は、信号コントローラ１１１のピン３を接地し、電力トランジスタ１０４および１１３のゲートにわたる電圧を中断する。トランジスタ１０４および１１３が非導電性にされると、一次巻線１０７にわたってほぼ瞬間的に電圧が中断され、強く結合された二次巻線１０８に伝えられる。同様の急速な電圧の降下がスパーク開始レベルを下回ってコロナ放電装置に生じるため、切迫したアークまたは絶縁破壊が回避される。
【００７７】
スパーク防止技術は２つのステップまたは段階を含む。第１に、コロナ放電装置の浮遊キャパシタンスに蓄えられたエネルギはコロナ電流を通じて放電されコロナ開始電圧へと下げられる。この電圧は常にスパーク開始電圧を十分に下回る。この放電が約０．１ｍｓｓｅｃ（すなわち、１００ｍｋｓｅｃ未満）より短い時間で起こる場合、電圧の降下は効率的にスパーク事象の発生を防止する。より高いスパーク開始電圧レベルからコロナ開始レベルへの電圧の降下は、約５０ｍｋｓｅｃで実現されることが好ましいことが実験的にわかっている。
【００７８】
電源電圧がコロナ開始レベルに達し、かつコロナ電流が停止した後、放電プロセスはより低速になり、電圧は数ミリ秒の間でゼロに降下する。電源１００は、抵抗器１２１およびトランジスタ１１５のゲート−ソースの自己キャパシタンスによって規定された同じ所定の時間後に電圧の生成を再開する。所定の時間は、通常は数ミリ秒のオーダーであり、イオン消失プロセスおよび通常の動作の回復に十分であることがわかっている。一次電力を変圧器１０６に再び印加することに応答して、コロナ放電装置に提供される電圧は、ほぼコロナ開始レベルから通常の動作レベルへと数マイクロ秒で上昇する。そのような配置を用いると、さもなければ同じコロナ放電配置および構成に頻繁なスパークを生じさせる値を出力電圧が超えたときでもスパーク事象は起こらない。電源１００は、利用可能な電
気的な構成要素を使用して構築することができ、特別な構成要素は必要とされない。
【００７９】
図２は、リード接点２２２および付加的な負荷２２３を備えた代替の電源２００の概略的な回路図である。電源２００は、一次巻線２１０および二次巻線２１１を備えた高電圧の２つの巻線のインダクタ２０９を含む。一次巻線２１０は、電力トランジスタ２０８を介してグラウンドに接続され、かつ端子２０１に設けられたｄｃ電源に接続される。ＰＷＭコントローラ２０５（たとえば、ＵＣ３８４３電流モードＰＷＭコントローラ）は、トランジスタ２０８のゲートで制御パルスを生成し、その動作周波数は、抵抗器２０２およびキャパシタ２０４を含むＲＣ回路によって決定される。典型的な周波数は１００ｋＨｚ以上である。二次巻線２１１は、ＨＶキャパシタ２１５および２１８、ならびに高周波数ＨＶダイオード２１６および２１７を含む倍電圧回路に接続される。電源２００は、ＨＶ装置または電極（すなわち、負荷）に接続される出力端子２１９および２２０の間で１０ｋＶから２５ｋＶの間のＨＶｄｃ電力を生成し、典型的には１８ｋＶを生成する。制御トランジスタ２０３は、分路抵抗２１２を通る電流が予め設定されたレベルを超えたときにオンし、電流がリード接点２２２を含むリードタイプのリレーの制御コイル２２１を通って流れるようにする。電流がコイル２２１を通って流れるとき、リード接点２２２は閉じ、ＨＶ出力をＨＶダンピング抵抗２２３へと向け、出力に負荷をかけて、抵抗器２０７およびキャパシタ２０６によって決定された時間で出力電圧のレベルを低下させる。さまざまなＥＦＡ構成要素および／または装置と組合せてこのスパーク管理回路を使用すると、通常動作中のすべてのスパークを実質的に排除することができる。リードリレー２０３／２２２は、台湾のGe-Ding Information Inc.のＺＰ−３であってもよい。
【００８０】
図３は、図２に示されるものと類似の別のＨＶＰＳ配置の概略的な回路図である。しかしながら、この場合、ＨＶＰＳ３００は、リード接点３２２、およびＨＶＰＳの出力端子に直接的に接続された付加的な負荷３２３を含む。ＨＶＰＳ３００は、一次巻線３１０および二次巻線３１１を備えた高電圧変圧器３０９を含む。一次巻線３１０は、電力トランジスタ３０８を介してグラウンドに接続され、かつ電力入力端子３０１に接続されたＤＣ源に接続される。ＰＷＭコントローラ３０５（たとえば、ＵＣ３８４３）は、トランジスタ３０８のゲートで制御パルスを生成する。これら制御パルスの動作周波数は、抵抗器３０２およびキャパシタ３０４によって決定される。二次巻線３１１は、ＨＶキャパシタ３１５および３１８、ならびに高周波数ＨＶダイオード３１６および３１７を含む倍電圧回路に接続される。ＨＶＰＳ３００は、ＨＶ装置または電極（負荷）に接続される出力端子３１９および３２０でほぼ１８ｋＶの高電圧出力を生成する。スパーク制御トランジスタ３０３は、分路抵抗器３１２を通る電流が予め設定された所定のレベルを超えたときにオンし、電流が制御コイル３２１を通って流れるようにする。電流がコイル３２１を通って流れるとき、リード接点３２２は閉じて、ＨＶＰＳのＨＶ出力をＨＶダンピング抵抗器３２３に向け、これにより、抵抗器３０７およびキャパシタ３０６によって決定された時間だけ出力電圧のレベルを低減する。この初期のスパーク検出および緩和の配置を使用すると、長い動作時間にわたって実質的にスパークが生成されない。
【００８１】
図４は、図２に示されるものと類似の電源の構成を示し、ＨＶＰＳ４００は、通常開いている接点４２２およびコイル４２１含むリレー、ならびに電力ダンピング負荷４２３をさらに含む。ＨＶＰＳ４００は、一次巻線４１０および二次巻線４１１を備えた電力変圧器４０９を含む。一次巻線４１０は電力トランジスタ４０８を介してグラウンドに接続され、かつ端子４０１でｄｃ電源に接続される。ＰＷＭコントローラ４０５（たとえば、ＵＣ３８４３）は、トランジスタ４０８のゲートで制御パルスの列を生成する。これらパルスの動作周波数は、抵抗器４０２およびキャパシタ４０４によって設定される。二次巻線４１１は、ＨＶキャパシタ４１５および４１８、ならびに高周波数ＨＶダイオード４１６および４１７を含む倍電圧回路に高電圧（たとえば、９ｋＶ）を供給するように接続される。電源４００は、ＨＶ装置またはコロナ電極（負荷）に接続される端子４１９および４
２０で高電圧出力を生成する。制御トランジスタ４０３は、分路抵抗器４１２を通る電流が差し迫ったスパーク事象に特徴的となるように予め設定された所定のレベルを超えたときに、電流がコイル４２１を通って流れるようにする。コイル４２１を通って電流が流れると、リレーの接点４２２は閉じ、ダンピング抵抗器４２３を介して一次巻線４１０をショートさせる。ダンピング抵抗器４２３によって設けられた付加的な負荷は、抵抗器４０７およびキャパシタ４０６によって決定された時間で出力電圧レベルを急速に低下させる。
【００８２】
図５は、コロナ電流５０１および出力電圧５０２での電源出力の２つのトレースを含むオシロスコープのディスプレイである。示されるように、コロナ電流は、約０．１から１．０ｍｓｅｃの時間内の初期のスパークを示す特徴的な細いスパイク５０３を有し、ここでは電流スパイクの約２．２ｍｓｅｃ後に示される。コロナ放電装置または類似のＨＶ装置での電流スパイク５０３の検出は、制御回路を作動させ、ＨＶＰＳをオフし、かつ好ましくは電極の電位を絶縁破壊安全性レベルかまたはその下方に低下させるために必要な蓄えられたエネルギを減衰する。たとえば、高周波数パルス発生器（たとえば、ＰＷＭコントローラ２０５）の動作を抑制することによりＨＶＰＳへの一次電力を中断することに加え、ＨＶ装置に印加される電圧をスパーク開始または絶縁破壊電位を下回るレベルに急速に低下させるために他のステップを行なってもよい。これらステップおよび支援回路は、蓄えられた電荷を、抵抗器、キャパシタ、インダクタまたはそれらの組合せなどの適切な「シンク（sink）」に「ダンピングする」ステップを含んでもよい。シンクは、ＨＶＰＳの物理的な境界内にあってもよいし、および／または電力を供給されている装置、すなわち、ＨＶ装置または負荷にあってもよい。負荷にある場合、シンクは負荷内に蓄えられた電荷をより素早く受取ることができ、ＨＶＰＳにあるシンクは、ＨＶＰＳの出力の電圧レベルを低下させるように方向付けられ得る。シンクは、たとえば、ＨＶ抵抗器を使用して、電力を消散させて負荷に供給されるかまたは負荷の電圧レベルを低下させることができることに注意されたい。またはこれに代えて、エネルギを蓄えておいて、スパーク事象が対処された後に再び印加して、装置を通常動作に素早く戻すようにしてもよい。さらに、すべての場合に電圧をゼロの電位レベルに下げる必要はなく、スパーク事象を回避するために知られているかまたは予測されたある値まで電圧レベルを低減すれば十分であり得る。一実施例によると、ＨＶＰＳは、特定のスパーク前のインジケータ（たとえば、電流のスパイクの強度、波形、持続時間等）の特性をスパーク事象の可能性を回避するかまたは予め設定されたレベルに最小化するための適切な応答と関連付けるための処理および記憶の能力を含む。たとえば、ＨＶＰＳは、電流のスパイクの下での絶対的な振幅または面積
【００８３】
【数４】
【００８４】
に応答して、所望の量のスパーク事象の制御を提供するように事前に決定された数の負荷を選択的に挿入するようにしてもよく、たとえば、スパーク事象を回避し、スパーク事象の強度を遅延または低減させ、所望の数または量のスパーク事象を提供する等してもよい。
【００８５】
再び図５を参照すると、ＨＶＰＳの出力が完全に中断され、コロナ放電装置に電流が流れない場合、コロナ放電装置の電圧は、図５に示されかつ上述のように急激に降下する。短い時間の後、ＨＶ装置に印加される電圧レベルを低減するために何の措置もとられなかった場合に実際のスパーク事象が起こったであろう瞬間を示す電流スパイク５０４が観測され得る。幸い、出力電圧はスパークレベルを十分に下回るため、スパークまたはアークは生成されない。その代わりに、中位の電流のスパイクのみが見られ、これは外乱または
望ましくない電気的なアーク音を生成させないようにするために十分小さいものである。電流スパイク５０４の検出の２〜１０ｍｓｅｃのオーダーの時間の後、または電流スパイク５０３の１〜９ｍｓｅｃ後、ＨＶＰＳはオンし、通常動作を再開する。
【００８６】
図６は、静電装置６０２、たとえば、コロナ放電流体加速器にＨＶ電力を供給するように接続されるこの発明によるＨＶＰＳ６０１の図である。静電装置６０２は、共通の接続６０４によりＨＶＰＳ６０１に接続される複数のコロナ放電電極６０３を含んでもよい。アトラクタ電極またはコレクタ電極６０５は、接続６０６によりＨＶＰＳ６０１の相補的なＨＶ出力に接続される。ＨＶ電位がコロナ放電電極６０３に印加されると、それぞれのコロナ放電の電子の雲が電極の近傍に形成され、コロナ放電電極と反対に帯電したアトラクタ電極またはコレクタ電極６０５との間の絶縁体として作用する介在する流体（たとえば、空気）の分子を帯電させる。イオン化された流体の分子は、コレクタ／アトラクタ電極６０５の対向する電荷に向かって加速され、所望の流体の動きが生じる。しかしながら、さまざまな環境的および他の外乱のため、流体の絶縁特性が異なり得る。この変動は、コロナ放電電極およびアトラクタの電極６０３、６０５のセットの間で電気的なアークが発生し得る点まで絶縁破壊電圧を低下させるのに十分であり得る。たとえば、埃、湿気、および／または流体の密度の変化は、絶縁破壊レベルを、装置に印加されている動作電圧を下回る点に下げることがある。スパーク前の標識事象（たとえば、電流スパイクまたはパルス等）に対して電力信号の電気的な特性を監視することにより、スパークを回避することが望ましい状況において動作電圧を低下させるなどの事象を管理するための適切なステップが実現される。
【００８７】
上述の発明は、スパーク事象の数および／または強度を排除するかまたは低減することに向けられるが、他の実施例は、他のスパーク管理の設備、能力および機能性を提供し得る。たとえば、この発明の実施例による方法は、電圧レベルを急速に変化させることにより（たとえば、ＰＷＭコントローラの動作周期を変化させることにより）、スパーク放電をより均一化し、所望のスパーク強度および／または量を提供するため、または他の何らかの目的のためにスパーク事象を管理することができる。したがって、この発明の実施例の付加的な適用例および実現例は、所望の結果を得るためのスパーク前の検出および特定のレベルへの急速な電圧の変化を含む。
【００８８】
この発明のこれらの特徴および他の特徴によると、３つの特徴によりスパーク事象の効率的な管理が実現される。第１に、電源は無慣性であるべきである。これは、電流供給はスパーク前の指標とスパーク事象の発生との間の時間よりも短い時間で出力電圧を急速に変化させることができなければならないことを意味する。この時間は、通常は、１ミリ秒以下である。第２に、効率的かつ急速なスパーク前の検出の方法が電源停止回路に組込まれるべきである。第３に、負荷装置、たとえば、コロナ放電装置は、スパーク前の標識と実際のスパーク事象との間の時間よりも短い時間で放電され得る低い自己静電容量を有するべきである。
【００８９】
図７Ａは、この発明の実施例によ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）７０５は、変動する振幅Ｖａｃ＋ｄｃの電源電圧７０１（図７Ｂ）を生成する。電圧７０１は、Ｖｄｃの平均的なｄｃ電圧に、距離７０３によって表わされる瞬間値を有する振幅Ｖａｃのａｃまたは交流成分（すなわち、電圧の交流成分）を重畳する。電圧７０１の典型的な平均のｄｃ成分（Ｖｄｃ）は、１０ｋＶから２５ｋＶの範囲にあり、より好ましくは１８ｋＶに等しい。リップルの周波数「ｆ」は典型的には１００ｋＨｚ前後である。低周波の高調波、たとえば、１２０Ｈｚを含む６０Ｈｚの商用電力線の周波数の倍数などが電圧の波形に存在し得ることに注意されたい。以下の計算は、最も有意な高調波、つまり最も高い高調波、この場合は１００ｋＨｚのみを考える。リップルのピークからピークへの振幅７０３（Ｖａｃは電圧７０１のａｃ成
分である）は、ピークからピークで０ボルトから２０００ボルトの範囲にあり得、より好ましくは、９００Ｖ未満またはそれに等しく、ＲＭＳの値はほぼ６４０Ｖである。電圧７０１は、電極の対（すなわち、コロナ放電電極およびアトラクタ電極）に印加される。抵抗器７０６は、ＨＶＰＳ７０５の内部抵抗およびＨＶＰＳ７０５を電極に接続するワイヤの抵抗を示し、この抵抗は典型的には比較的小さな値を有する。キャパシタ７０７は２つの電極間の寄生キャパシタンスを示す。なお、キャパシタ７０７の値は一定ではないが、約１０ｐＦのレベルにあると大まかには推定される。
【００９０】
抵抗器７０８は、コロナ放電電極およびアトラクタの電極の間の空隙に特徴的な非リアクタンス性のｄｃオーム負荷抵抗Ｒを示す。この抵抗Ｒは、印加される電圧に応じて異なり、典型的には１０メガオームの値を有する。
【００９１】
ＨＶＰＳ７０５からのｄｃ成分は抵抗器７０８を通って流れ、ａｃ成分は、抵抗器７０８よりも１００ｋＨｚの動作範囲で実質的に低いインピーダンスを示すキャパシタンス７０７を通って主に流れる。特に、キャパシタ７０７のインピーダンスＸｃはリップルの周波数の関数である。この場合、これは、
Ｘc＝１/(２πｆＣ)＝１/(２*３.１４*１００,０００*１０*１０-12)＝１６０ｋΩにほぼ等しい。
【００９２】
キャパシタンス７０７を通って流れる電流のａｃ成分Ｉａ.ｃ.は、
Ｉａ.ｃ.＝Ｖａ.ｃ./Ｘc＝６４０/１６０,０００＝０.００４Ａ＝４ｍＡ
に等しい。
【００９３】
抵抗器７０８を通って流れる電流のｄｃ成分Ｉdcは、
Ｉdc＝Ｖdc/Ｒ＝１８ｋＶ/１０ＭΩ＝１.８ｍＡ
に等しい。
【００９４】
したがって、電極間の結果的な電流のａｃ成分Ｉacは、結果的な電流のｄｃ成分よりも約２．２倍大きい。
【００９５】
装置７００の動作は図７Ｂのタイミング図を参照して説明することもできる。イオン化電流が何らかの最大の振幅（Ｉｍａｘ）に達すると、イオンがコロナ放電電極から放出され、周囲の分子および流体の粒子（すなわち、空気の分子）を帯電させる。このとき、最大の電力が生成され、最大のオゾンの生成（空気または酸素における）が行なわれる。電流がＩｍｉｎに減少すると、生成される電力は少なくなり、実質的に全くオゾンは生成されない。
【００９６】
同時に、帯電した分子および粒子は最大の電流の状態と同じ力で対向する電極（アトラクタ電極）に向かって加速される（電圧は実質的に一定であるため）。したがって、流体の加速率は実質的に影響されず、オゾンの生成が低減されるのと同じ程度には影響されない。
【００９７】
周囲の流体の加速は、コロナ放電電極からアトラクタ電極へのイオンのモーメントから生じる。これは、電圧７０１の影響下で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囲に「イオンの雲」を作るからである。このイオンの雲は電界の強さに応答して対向するアトラクタ電極に向かって移動し、その強度は印加される電圧７０１の値に比例する。電源７０５によって供給される電力は、ほぼ出力電流７０２に比例する（電圧７０１が実質的に一定に維持されると仮定する場合）。したがって、脈動する性質の電流７０２により、同じ振幅の純粋なｄｃ成分よりもエネルギの消費が少なくなる。電流のａｃ成分およびｄｃ成分の間のそのような電流の波形および関係は、低い内部抵抗７０６およ
び出力電圧の小さい振幅の交流成分７０３を有することによって確保される。最も効率的な静電流体加速は、電流７０２の交流成分の相対的な振幅（すなわち、Ｉａｃ／Ｉｄｃ）が電圧７０１の交流成分の相対的な振幅（すなわち、Ｖａｃ／Ｖｄｃ）よりも大きいときに得られることが実験的にわかっている。さらに、これら比率が離れると、付加的な改善が実現される。したがって、Ｖａｃ／ＶｄｃがＩａｃ／Ｉｄｃを大きく下回る（すなわち、半分を越えない）、好ましくは、Ｉａｃ／Ｉｄｃの１／１０、１／１００を越えないか、またはより好ましくは１／１０００である場合、（ここで、ＶａｃおよびＩａｃは、同じように測定され、たとえば、ともにＲＭＳ、ピークからピークまたは類似の値である）、さらに効率的な流体の加速が実現される。数学的に異なった表現をすると、コロナ電流の一定成分と印加される電圧の時間的に変動する成分との積をコロナ電流の時間的に変動する成分と印加された電圧の一定成分との積で除したものは、最小化されるべきであり、各別々のステップは当初のステップに対する大きさで大きな改善を提供する。
【００９８】
図８Ａは、上述の式を満たさないコロナ放電装置を示す。これは針の形のコロナ放電電極８００を含み、その鋭い幾何学的形状は針の尖った端部の近傍でコロナ放電を生成するのに必要な電界を提供する。対向するコレクタ電極８０１はずっと大きく、滑らかなバーの形である。高電圧の電源８０２は、高電圧供給ワイヤ８０３および８０４を通じて電極の両方に接続される。しかしながら、コレクタ電極８０１の中央の軸に垂直な放電電極８００の相対的な配向のため、この配置は電極８００および８０１の間に有意なキャパシタンスを生成しない。一般的に、キャパシタンスは電極間に面する有効面積に直接的に比例する。この面積は図８Ａに示される装置では非常に小さいが、これは電極の１つが最小限の断面積を有する針先の形であるためである。したがって、電極８００から電極８０１に流れる電流は有意のａｃ成分を有さない。図８Ａに示されるものに類似のコロナ放電装置の配置は非常に低い空気加速能力および比較的大きな量のオゾンの生成を示す。
【００９９】
図８Ｂは代替のコロナ放電装置を示す。複数のコロナ放電電極は長く細いコロナ放電ワイヤ８０５の形であり、対向するコレクタ電極８０６はコロナワイヤ８０５に平行なより厚みのあるバーの形である。高電圧電源８０７は、それぞれの高電圧供給ワイヤ８０９および８１０によって、コロナ放電ワイヤ８０５およびコレクタ電極８０６に接続される。この配置によって電極間の面積はずっと大きくなり、したがって、その間のキャパシタンスがずっと大きくなる。コロナワイヤ８０５からコレクタ電極８０６に流れる電流は、有意のａｃ成分を有し、高電圧電源８０７は十分な電流供給能力を有することができる。図８Ｂに示されるもののようなコロナ放電装置の配置により、実質的に高周波数の電流リップルであるが小さな電圧リップル（すなわち交流成分）で高電圧電源によって電源を供給されるときに、空気加速能力は大きくなり、比較的イオンの生成は小さくなる。
【０１００】
図１を再び参照すると、高電圧電源回路１００は、小さな高周波数リップルを有する高電圧を生成することができるように構成してもよい。上述のように、電源１００は、一次巻線１０７および二次巻線１０８を備える高電圧の二重の巻線の変圧器１０６を含む。一次巻線１０７は、ハーフブリッジインバータ（電力トランジスタ１０４、１１３およびキャパシタ１０５、１１４）を通じてｄｃ電圧源１０１に接続される。ゲート信号コントローラ１１１は、抵抗器１０３および１１７を通じてトランジスタ１０４、１１３のゲートで制御パルスを生成する。これらパルスの動作周波数は、抵抗器１１０およびキャパシタ１１６に対して選択された値によって決定される。変圧器１０６の二次巻線１０８は、４つの高電圧高周波数の電力ダイオードを含むブリッジ電圧整流器１０９に接続される。電源１００は、端子１２０とコロナ放電装置の電極に接続されるグラウンドとの間で高電圧出力を生成する。
【０１０１】
図９は、生成されかつ電極のアレイを通って流れる結果的な電流９０２とともに、コロナ放電装置での出力電流および電圧の波形、高電圧９０１のオシロスコープのトレースを
示す。電圧９０１は約１５，３００Ｖの比較的一定の振幅を有し、交流成分はほとんどまたは全くないことがわかる。一方、電流９０２は、電流の平均値（１．１８９ｍＡ）をはるかに超えた、２ｍＡを超える比較的大きな交流電流の成分（リップル）を有する。
【０１０２】
上述の特徴に加え、この発明は、低慣性の電源が、電流供給に高リアクタンスの負荷を与えるコロナ放電素子のアレイと組合される実施例をさらに含む。つまり、アレイの容量負荷は、電源の出力でのリアクタンス性の成分を大きく上回る。この関係により、一定の低いリップルの電圧および高いリップルの電流が得られる。この結果はオゾンの生成が低減された効率の高い静電流体加速器にある。
【０１０３】
図１０Ａは、２つのＥＦＡの段１０１４および１０１５を含むこの発明の別の実施例による静電流体加速器（ＥＦＡ）装置１０００の概略図である。第１のＥＦＡの段１０１４は、コロナ放電電極１０６および関連する加速電極１０１２を含み、第２のＥＦＡの段１０１５は、コロナ放電電極１０１３および関連する加速電極１０１１を含む。ＥＦＡの段およびすべての電極は共に概略的に示されている。説明しやすくするため、段あたりコロナ放電および集電の電極の１つのセットのみが示されているが、各段はコロナ電極および加速の電極の多くのアレイの対を含み得ることが予想される。ＥＦＡ１０００の重要な特徴は、コロナ放電電極１００６とコレクタ電極１０１２との間の距離ｄ1は、コレクタ電
極１０１２と後続の段１０１５のコロナ放電電極１０１３との間の距離ｄ2に匹敵する点
、すなわち、隣接する段の素子間の最も近い距離は同じ段内の電極間の距離よりさほど大きくない点である。典型的には、コレクタ電極１０１２と隣接する段のコロナ放電電極１０１３との段の間の距離ｄ2は、同じ段内のコロナ放電電極１００６とコレクタ電極１０
１２との間の段内の間隔の距離ｄ1（または、コロナ放電電極１０１３とコレクタ電極１
０１１との間隔）の１．２倍から２．０倍の間であるべきである。この一貫した間隔のため、電極１００６と１０１２、および１００６と１０１３との間のキャパシタンスは同じオーダーである。この配置では、コロナ放電電極１００６と１０１３との間のキャパシタンス結合により、電極間に何らかの寄生電流が流れることができる。この寄生電流は電極の対１００６および１０１２の間の容量性電流と同じオーダーの振幅である。電極１０１３と１０６との間の不必要な電流を低減するために、各々には同期された高電圧の波形が供給されるべきである。図１０Ａに示される実施例では、両方のＥＦＡの段は、共通の電源１００５によって、すなわち、並列に両方の段に電力を供給する１つの電圧変換回路（たとえば、電力変圧器、整流器およびフィルタリング回路等）を有する電源により電力を供給される。このことにより、電極１００６と１０１３との間の電圧差は電極１００６および１０１１に対して一定に保たれるため、電極１００６と１０１３との間には全く電流が流れないか、または非常に小さい電流のみが流れる。
【０１０４】
図１０Ｂは、それぞれ別々の電流供給１００２および１００３によって電力を供給されるＥＦＡの段１０１６および１０１７の対を含むＥＦＡ１００１の代替の構成である。第１のＥＦＡの段１０１６は、段１０１６内に相補的な電極の対を形成するコロナ放電電極１００７および集電電極１００８を含む。第２のＥＦＡの段１０１７は、相補的な電極の第２の対を形成するコロナ放電電極１００９および集電電極１０１０を含む。ＥＦＡの段１０１６、１０１７およびすべての電極１００７〜１０１０は共に概略的に示されている。
【０１０５】
第１のＥＦＡの段１０１６は電源１００２によって電力を供給され、第２のＥＦＡの段１０１７は電源１００３によって電力を供給される。両方のＥＦＡの段および両方の電源１００２ならびに１００３は、同期を簡略化するために同じ設計であってもよいが、代替の配置を収容するのに適切なように異なる設計を使用してもよい。電源１００２および１００３は、同期された電力出力を提供するように制御回路１００４によって同期される。制御回路は、両方の電源１００２および１００３が実質的に等しい同期されかつ同位相に
された出力電圧を生成して、電極１００７および１００９の間の電位差が実質的に一定に保たれるようにする（たとえば、ａｃ電圧成分を有さないかまたは非常に小さなａｃ電圧成分を有するようにする）。（注意：「同期された」という言葉は、一般的には信号間の周波数および位相の両方の一致を含み、位相の調整の要件は、「同位相にされた」という言葉の使用によってさらに強調され、たとえば、各段に印加されかつ各段に存在するように、関連の場所で信号が互いに同位相であることを必要とする）。この電位差を一定に保つことによって（すなわち、ａｃ電圧成分を最小化するかまたは排除することによって）、電極１００７と１００９との間の容量性電流の流れが、たとえば、典型的には１ｍＡ未満、好ましくは１００μＡ未満の許容値に制限されるかまたは排除される。
【０１０６】
隣接するＥＰＡの段の電極間の寄生的な電流の低減は、図１１Ａおよび図１１Ｂに示される波形を参照して理解することができる。図１１Ａに見られるように、電極１００７（図１０Ｂ）に存在する電圧Ｖ１および電極１００９に存在する電圧Ｖ２は同期されかつ同位相にされるが、必ずしもｄｃ振幅は等しくない。完全な同期のため、電極１００７および１００９に存在する電圧間の差Ｖ１−Ｖ２はほぼ一定であり、信号間のｄｃオフセット値のみを表わす（すなわち、ａｃ成分はない）。電極１００７および電極１００９の間を結合する容量を通って流れる電流Ｉｃは、このキャパシタンスの電圧の変化時間速度（ｄＶ／ｄｔ）に比例する。
【０１０７】
Ｉc＝Ｃ*［ｄ（Ｖ１−Ｖ２）/ｄｔ］
この関係から、任意のキャパシタンスの電圧が一定に保たれる場合（すなわち、ａｃ成分を有さない）、経路には電流が流れないことが直接的にわかる。一方、小さな電圧の変化であっても、電圧の変化が素早い場合、大きな容量性電流の流れが作られ得る（すなわち、大きなｄ（Ｖ１−Ｖ２）／ｄｔ）。近隣のＥＦＡの段の異なる電極から過度の電流が流れるのを防ぐため、これら近隣の段の電極に印加される電圧は同期されかつ同位相にされるべきである。たとえば、図１１Ｂを参照すると、コロナ電圧Ｖ１およびＶ２はわずかに同期しておらず、差、ｄ（Ｖ１−Ｖ２）／ｄｔの小さなａｃ電圧成分が生じている。この小さなａｃ電圧成分は、隣接するＥＦＡの段の間を流れる有意の寄生電流Ｉｃにつながる。この発明の実施例は、段の間に電流が流れるのを回避するためにすべての段に印加される電力の同期を含む。
【０１０８】
隣接するＥＦＡの段の電極の最も近い間隔は次のように概算することができる。典型的なＥＦＡは狭い電圧範囲で効率的に動作することに注意されたい。同じ段のコロナ放電電極と集電電極との間に印加される電圧Ｖcは、適切な動作のため、いわゆるコロナ開始電
圧Ｖonsetを超えなければならない。つまり、電圧ＶcがＶonset未満のとき、コロナ放電
は起こらず、空気の運動は生成されない。同時に、Ｖcはアークを回避するために絶縁破
壊電圧Ｖbを超えてはならない。電極の幾何学的形状および他の条件に応じて、ＶbはＶonsetの２倍より大きくてもよい。典型的な電極の構成では、Ｖb／Ｖonsetの比率は、約１
．４から１．８であり、任意の特定のコロナ放電電極が、「バックコロナ」を生成し得る近隣の集電電極からの距離に位置付けられないようにされる。したがって、近隣の段の最も近い電極間の規格化された距離ａＮｎは、同じ段のコロナ放電電極と集電電極との間の正規化された距離「ａＮｃ」より少なくとも１．２倍大きくなくてはならず、好ましくは距離「ａＮｃ」の２倍以下であることが好ましい。つまり、近隣の段の電極は、電極間の電圧差が近隣の段の任意の電極間のコロナ開始電圧未満であるように間隔をあけなくてはならない。
【０１０９】
上述の条件が満たされない場合、必然的な結果として、近隣の段はそうでない場合よりも互いにより大きく間隔をあけられなければならない。段の間の間隔がそのように増加されると、いくつかの条件が空気の運動に悪影響を及ぼす。たとえば、近隣の段の間の間隔が増加するとダクトが長くなり、結果的に、空気の流れに対する抵抗が大きくなる。ＥＦ
Ａの全体的なサイズおよび重量も増加する。同期されかつ同位相にされたＨＶＰＳを用いると、効率を低減することなく、またはスパークの生成を増加させることなくＨＦＡの段の間の間隔を低減することを可能にすることにより、これら負の局面が回避される。
【０１１０】
図１２を参照すると、２段のＥＦＡ１２００は、それぞれの第１および第２の段１２１２および１２１３と関連するＨＶＰＳ１２０１および１２０２の対を含む。両方の段は実質的に同一であり、同一のＨＶＰＳ１２０１および１２０２によって電力を供給される。ＨＶＰＳ１２０１および１２０２は、それぞれのパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ１２０４および１２０５、電力トランジスタ１２０６および１２０７、高電圧インダクタ１２０８および１２０９（すなわち、フィルタリングチョーク）、ならびに倍電圧器１２０１および１２０２を含む。ＨＶＰＳ１２２０および１２２１は段１２１２および１２１３のそれぞれのＥＦＡのコロナ放電電極に電力を供給する。前と同じく、段１２１２および１２１３のＥＦＡの電極は、１つのコロナ放電電極および１つの加速（アトラクタ）電極の１つの対として概略的に示されるが、各段は典型的には二次元のアレイとして構成された複数の電極の対を含む。ＰＷＭコントローラ１２０４、１２０５は、それぞれの電力トランジスタ１２０６および１２０７のゲートに高周波数パルスを生成する（およびピン７で供給する）。これらパルスの周波数は、抵抗器１２１６およびキャパシタ１２１７ならびに抵抗器１２１８およびキャパシタ１２１９を含むそれぞれのＲＣタイミング回路によって決定される。通常、段の間のこれら構成要素の値のわずかな差は、２つのＨＶＰＳの段のわずかに異なる動作周波数につながる。しかしながら、周波数のわずかな変動でもＥＦＡ１２００の段１２１２および１２１３の非同期の動作につながる。したがって、電源１２０１および１２０２の同期されかつ同位相にされた（すなわち、ゼロの位相の移動または差）の動作を保証するため、コントローラ１２０５は、抵抗器１２１５およびキャパシタ１２１４を含む同期入力回路を介してＰＷＭコントローラ１２０４のピン１から同期信号パルスを受取るように接続される。この配置は、ＰＷＭコントローラ１２０５をＰＷＭコントローラ１２０４に同期させて、両方のＰＷＭコントローラの出力電圧パルスがともに同期され（同じ周波数）かつ同位相にされる（同じ位相）ようにする。
【０１１１】
図１３Ａおよび図１３Ｂは２段のＥＦＡ装置の２つの異なる構成を示す断面図である。２つの段しか図示されないが、詳細な原理および構造は等しい。図１３Ａを参照すると、第１のＥＦＡ装置１３１１は、シリアルまたはタンデムな段１３１４および１３１５からなる。第１の段１３１４は、第１の垂直な列に整列した複数の平行なコロナ放電電極１３０１と、コロナ放電電極１３０１の列に平行な第２の列に整列した集電電極１３０２とを含む。すべての電極は、図面の頁の内外へ長手方向に延在する断面で示される。コロナ放電電極１３０１は、他の構成も可能であるが、図示のとおり導電性ワイヤの形態であり得る。集電電極１３０２は水平方向に細長い導電性バーとして示される。また、これは例示を目的としており、他の幾何学的形態および構成がこの発明のさまざまな実施例と合致して実現され得る。第２の段１３１５は、（同様に図面の頁に対して垂直に延在する細い導電性ワイヤとして示される）整列したコロナ放電電極１３０３と、（バーとして示される）集電電極１３０４との列を含む。すべての電極はエアダクト１３０５内に装着される。ＥＦＡ１３１１の第１の段１３１４および第２の段１３１５は、それぞれ別個のＨＶＰＳ（図示せず）によって電力が供給される。ＨＶＰＳは同期されかつ同位相にされているので、第２の段１３１５のコロナ放電電極１３０３は、ＥＰＡの性能に悪影響を及ぼしたりその性能を下げたりすることなく、第１の段１３１４の集電電極１３０２に可能な限り近い規格化された距離に配置され得る。
【０１１２】
例示の目的で、隣り合う段１３１４および１３１５の電極に印加されるすべての電圧とその成分（たとえば、ａｃおよびｄｃ）とが等しいと仮定する。さらに、コロナ放電電極１３０１および１３０３に高い電圧が印加され、かつ、集電電極１３０２および１３０４が接地される、すなわち、コロナ放電電極１３０１および１３０３に印加される高い電圧
に対して共通の接地電位で維持されると仮定される。すべての電極は、互い違いに配置された列におけるそれ自体の段の相補的な電極と水平に整列しかつ垂直にオフセットされている別々の段の対応する電極と平行で垂直な列に配置される。コロナ放電電極１３０１と、垂直に隣接する最も近くの集電電極１３０２の前縁との間の規格化された距離１３１０はａＮ１に等しい。第２の段のコロナ電極１３０３と第１の段の集電電極１３０２の後縁との間の規格化された距離ａＮ２（１３１３）は、ａＮ１よりも大きないくらかの距離ａＮ２であるはずであり、実際の距離はコロナ放電電極に印加される特定の電圧に依存する。いずれの場合も、ａＮ２はａＮ１よりも大きくなくてはならず、すなわち、１〜２倍の距離ａＮ１、より好ましくは１．１〜１．６５倍のａＮ１、さらにより好ましくは約１．４倍のａＮ１の範囲内であるべきである。特に、図１３Ａに示されるように、距離ａＮ２は、その間に電流の流れを作り出すコロナ開始電圧間の電圧を避けるのに必要とされる以上に大きくなくてはならない。この規格化された「スタント」距離ａＮ２が１．４×ａＮ１に等しいと仮定する。すると、隣り合う段の間における水平距離１３１２は、距離ａＮ２（１３１３）未満である。図示のとおり、段内の間隔は、隣り合う段のうち同じ種類の電極が（図１３Ａに示される）１つの平面１３２０に位置する場合、最小限にされる。平面１３１４は、コロナ放電電極の縁を含む平面（図１３Ａにおける平面１３１７）と直交する平面として規定され得る。隣り合う段の同じ種類の電極が、異なっているが平行な平面、たとえば（図１３Ｂに示される）平面１３２１および１３２２に位置する場合、隣接するＥＦＡの段の電極間における結果的な最小限の間隔は、線１３１９で示されるａＮ２に等しい。線１３１９の長さが距離１３１３（ａＮ２）と同じであり、かつ距離１３１２よりも長いので、段の間の間隔が大きくなることに留意されたい。
【０１１３】
こうして、この発明のこれらの特徴は、３つの条件のうちの１つ以上をさまざまに組合せて満たすアーキテクチャを組込む。
【０１１４】
１． 隣り合うＥＦＡの段の電極は、実質的に同じ電圧波形で電力が供給される、すなわち、隣り合う電極上の電位は実質的に同じ交流成分を有するはずである。それらの交流成分は、大きさおよび位相がともに近いかまたは同一であるはずである。
【０１１５】
２． 隣り合うＥＦＡの段は狭い間隔で配置され、隣り合う段の間の間隔は、当該隣り合う段の電極間におけるいかなるコロナ放電をも避けるかまたは最小限にするのに十分な距離に制限されかつ決定されている。
【０１１６】
３． 隣り合う段の同じ種類の電極は、電極（または電極の前縁）が位置する平面と直交する同じ平面に位置するべきである。
【０１１７】
図１４は、ワイヤ状のコロナ電極１４０２（他の数が含まれてもよいが、この発明を例示する目的で３つの電極が示され、典型的な装置は、所望の性能をもたらすのに適切なアレイで数十または数百の電極を有する）と、加速電極１４０９（この発明の簡略化された例においては２つ）とを含むＥＦＡ装置１４００の概略図である。加速電極１４０９の各々は、比較的高抵抗の部分１４０３と低抵抗の部分１４０８とを含む。高抵抗部分１４０３は、１０1〜１０9'Ω−ｃｍ、より好ましくは１０5〜１０8'Ω−ｃｍ、さらに好ましくは１０6〜１０7'Ω−ｃｍの範囲内の特定の抵抗ρを有する。
【０１１８】
すべての電極は断面で示される。したがって、コロナ電極１４０２は細いワイヤの形または形状であるが、加速電極１４０９はバーまたはプレートの形状である。加速電極１４０９に最も近いコロナ電極１４０２の「下流」部分がイオン化端１４１０を形成する。コロナ電極１４０２と加速電極１４０９の低抵抗部分１４０８とは、ワイヤ導体１４０４および１４０５を介して高電圧電源（ＨＶＰＳ）１４０１の反対側の極性端子に接続される。低抵抗部分１４０８は特定の抵抗ρ≦１０4'Ω−ｃｍを有し、好ましくは１'Ω−ｃｍ
を超えず、さらにより好ましくは０．１'Ω−ｃｍを超えない特定の抵抗を有する。ＥＦ
Ａ１４００は、矢印１４０７で示される所望の流体の流れの方向に流体の流れを作り出す。
【０１１９】
ＨＶＰＳ１４０１は、電界が電極間に形成されるように電極１４０２と集電電極１４０９との間に予め定められた電圧を生成するよう構成される。この電界は、１４０６として概略的に示される点描の流線によって表わされる。当該電圧がいわゆる「コロナ開始電圧」を上回ると、コロナ放電活動がコロナ電極１４０２の近傍において開始され、これにより、コロナ電極１４０２からの対応するイオン放出プロセスがもたらされる。
【０１２０】
コロナ放電プロセスにより、流体イオンがコロナ電極１４０２から放出され、電界線１４０６に沿いかつこれに追従して加速電極１４０９の方に加速される。コロナ電流は、自由イオンおよび他の荷電微粒子の形であり、加速電極１４０９の最も近い端部に届く。次いで、コロナ電流が、周囲の流体のいくらか高抵抗の経路とは対照的に、電気抵抗が最も低い経路に沿って電極を通って流れる。加速電極１４０９の高抵抗部分１４０３が周囲のイオン化流体よりも低い抵抗を有するので、コロナ電流のかなりの部分が加速電極１４０９の本体を通り、すなわち高抵抗部分１４０３を通り低抵抗部分１４０８へ、さらに接続ワイヤ１４０５を介して完結されるＨＶＰＳ１４０１への戻り経路へと流れる。電流が（空気流１４０７の主要な方向に対して平行な）高抵抗部分１４０３の幅（図１４を参照）に沿って流れると、電流経路に沿って電圧降下Ｖｄが引起される。この電圧降下は、（差し当たり、低抵抗部分１４０８と接続ワイヤとの抵抗を無視するとして）コロナ電流Ｉｃ掛ける高抵抗部分１４０３の抵抗Ｒに比例している。次いで、コロナワイヤ１０２と加速電極１４０９の最も近いそれぞれの端部との間に印加された実際の電圧Ｖａは、抵抗によって誘導された電圧降下のために、ＨＶＰＳ１４０１の出力電圧Ｖｏｕｔ未満である。すなわち、
Ｖa＝Ｖout−Ｖd＝Ｖout−Ｉc*Ｒ（１）
コロナ電流がコロナ電極１４０２と加速電極１４０９の端部との間の電圧Ｖａに非線形に比例しており、すなわち電流が電圧よりも速く増大することに留意されたい。電圧と電流との関係は経験式によって概算され得る。
【０１２１】
Ｉc＝ｋ1*（Ｖa−Ｖ0）1.5，（２）
この場合、Ｖ0＝コロナ開始電圧、ｋ1＝経験的に決定された係数、である。この非線形の関係は所望のフィードバックを与え、これが、事実上、電極にわたって現われる結果的な電圧Ｖaの値を自動的に制御し、コロナ放電の外乱および不規則さを防ぐか、最小限に
するか、軽減するかまたは緩和する。コロナ放電プロセスが、温度、汚染、湿気、異物などの変わりやすい複数の環境因子に依存する本質的に「不規則な」（すなわち「予測できない」）コロナ電流値であると考えられることに留意されたい。何らかの理由で、電極間の空間の１つの位置におけるコロナ電流がどこか他の位置におけるよりも大きくなる場合、対応する高抵抗部分１４０３に沿った電圧降下Ｖdがより大きくなり、したがって、こ
の位置における実際の電圧Ｖaがより低くなるだろう。これにより、この位置におけるコ
ロナ電流が制限され、スパークまたはアークの発生が防止されるかまたは最小限にされる。
【０１２２】
以下の例は、この発明の一実施例において用いられるかもしれない典型的な成分値を用いて例示の目的で示される。図１４に概略的に示されるＥＦＡ１４００の一実施例においては、コロナ開始電圧は、コロナ電極１４０２の近傍において最小限の３０ｋＶ／ｃｍの電界強度を達成するために８．６ｋＶに等しくなると想定される。この値は計算、測定またはそれ以外の方法で決定されてもよく、コロナ／加速電極の１０ｍｍの間隔とコロナ電極の０．１ｍｍの直径とに対するコロナ開始値に特有のものである。加速電極１４０９の高抵抗部分１０３の全抵抗Ｒtotalは０．５ＭΩに等しく、空気流方向１４０７に沿った
高抵抗部分１４０３の幅（図１４を参照）は１インチに等しい。空気流の方向に対して横方向の（すなわち、図面の平面の方への）加速電極１４０９の長さは２４インチに等しい。したがって、加速電極１４０９の１インチごとに抵抗Ｒinchがある。
【０１２３】
Ｒinch＝Ｒtotal*２４＝１２Ｍ'Ω
この特定の設計に対する経験的係数は、２２*１０-6に等しい。１２．５ｋＶに等しい
印加された電圧Ｖａでは、コロナ電流Ｉcは以下に等しい。
【０１２４】
Ｉc＝４．６×１０-9*（１２，５００Ｖ−８，６００Ｖ）1.5＝１．１２ｍＡ．
しかしながら、半導体部分１０３の各インチを通って流れるコロナ電流Ｉc/inchは以下に等しい。
【０１２５】
１．１２ｍＡ／２４インチ＝４７μＡ／インチ．
したがって、この半導体部分１０３の１インチの長さにわたる電圧降下Ｖdは以下に等
しい。
【０１２６】
Ｖd＝４７*１０-6Ａ*１２*１０6Ω＝５６４Ｖ．
ＨＶＰＳ１４０１からのＶoutは電極に印加された電圧Ｖaの合計に等しく、加速電極１４０９の半導体部分１４０３にわたる電圧降下Ｖdは以下のとおりである。
【０１２７】
Ｖout＝１２，５００＋５６４＝１３，０６４Ｖ．
何らかの理由で、ある局所区域におけるコロナ電流が、ある地点において９４μＡに等しくなるように、たとえば十分に分配された４７μＡ／インチの値の２倍に増大する場合、結果的な電圧降下Ｖdはこの変化を反映し、１，１２８Ｖに等しくなるだろう（すなわ
ち、Ｖｄ＝９４×１０-6μＡ*１２×１０6Ω）。すると、Ｖa＝Ｖout−Ｖd＝１３，０６
４−１，１２８＝１１，９３６Ｖとなる。こうして、電圧降下Ｖdの増大により、局所区
域における実際の電圧レベルが減衰され、この区域におけるコロナ電流が制限される。式（２）に従うと、この１インチの長さを通るコロナ電流Ｉcは、１．１２ｍＡとは対照的
に、４．６*１０-9（１１，９３６−８，６００Ｖ）1.5／２４インチと表わすことができる。この「負のフィードバック」効果は、これにより、何らかの局所的な不規則さがある場合でも通常のＥＦＡ動作を復元するよう動作する。たとえば、電極間の空間内に入ってくる異物（たとえば、塵など）によって短絡が発生した極端な状況においては、回路を通る最大電流は、当該異物が電極に接触する局所区域の抵抗によって実際上制限される。
【０１２８】
２つの電極を共に短絡させる、すなわち、コロナ電極１４０２と加速電極１４０９との間における（介在する流体の電気抵抗に比べて）比較的抵抗の低い電気経路をもたらす指またはねじ回しのような異物について考察する。電流が高抵抗部分１４０３の幅、すなわち１インチにほぼ等しい幅を有する区域を通って流れると当然仮定され得る。したがって、異物が最大の電流の流れＩmaxをもたらし得るが、Ｉmaxは、
Ｉmax＝Ｖout／Ｒtotal＝１３，０６４Ｖ／１２*１０6Ω＝１．２ｍＡ
に等しく、これは、通常の動作電流１．１２ｍＡよりもわずかに大きい。このような電流のわずかな増加では感電の危険はないはずであり、またはいかなる不快音（たとえば、アークおよびポップノイズ）も生じないはずである。同時に、ＥＦＡ全体の最大動作電流が、以下のとおりに、強い流体の流れ、たとえば少なくとも１００ｆｔ3／ｍｉｎをもた
らすのに十分な値に制限される。
【０１２９】
Ｉmax＝１３，０６４Ｖ／０．５ＭΩ＝２６ｍＡ
加速電極が比較的低い抵抗（たとえば、ρ≦１０4'Ω−ｃｍ、好ましくはρ≦１'Ω−
ｃｍ、より好ましくはρ≦１０-1'Ω−ｃｍ）を有する金属または別の材料でできている
場合、短絡電流はＨＶＰＳ１４０１の最大電力（すなわち最大電流容量）により、および
／または、その出力フィルタ（たとえば、フィルタキャパシタ）に蓄積されたいかなるエネルギによっても制限されることとなり、これにより、ユーザに著しい感電の危険をもたらし、スパークによって生じる不快な「パチッ」という音または「ポップ」音を引起し、および／または、電磁気の障害（たとえば、無線周波妨害またはｒｆｉ）を発生させることとなる。概して、問題のない動作を提供するために高抵抗部分１０３の特定の抵抗特性および幾何学的構成（長さ対幅の比率）が選択されるが、ＥＦＡの動作には電流の制限を課さない。これは、（ｉ）加速電極の全長（主要な流体の流れの方向に対して横方向のサイズ）と、（ii）加速電極の幅（流体の流れの方向に沿ったサイズ）との間の（好ましくは少なくとも１０である場合の）比較的大きな比率を提供することによって達成される。一般に、電極の長さはその電極の幅よりも大きいはずである。最適な結果は、電極の位置および構成に依存して、複数の加速電極、好ましくは、コロナ電極の数のプラスマイナス１個以内の数に等しいいくつかの加速電極を設けることによって達成され得る。図１４は例示の目的で２つの加速電極と３つのコロナ電極とを示すが、他の電極構成が４つの加速電極のうち同じ３つのコロナ電極に面する３つの加速電極を含むか、または他の数および構成の代替的な電極構成を含むだろうことに留意されたい。
【０１３０】
局所的な過剰な電流が高抵抗材料の劣化に繋がるおそれがあることも考慮に入れるべきである。これは、異物がいくらか長期間（たとえば、除去される前に数ミリ秒以上）にわたって電極間にひっかかる場合に特に当てはまる。過電流の状態による電極の損傷および関連する故障を防ぐために、ＨＶＰＳは、このような過電流の事象を検出し、かつ速やかに発電を中断するかまたは電流の流れを妨げることのできる電流センサまたは他の装置を備えていてもよい。予め定められたリセットまたは休止期間Ｔoffの後、残りまたは残余
の短絡状態のいずれをも検出するのに十分な最小限の予め定められたいくらかの期間Ｔonにわたって発電が回復され得る。この短絡状態が続く場合、ＨＶＰＳは、少なくとも期間Ｔoffにわたって遮断されるか、またはそうでない場合不能化される可能性がある。こう
して、過電流の問題が続く場合、ＥＦＡの安全な動作と電極の長い寿命とを確保するために、ＨＶＰＳ１４０１は、Ｔonよりも実質的に長い（たとえば１０倍以上長い）Ｔoffを
有する何回かのサイクルにわたってこのオン・オフサイクルの動作を続け得る。ある場合においては、このサイクルは、手作業で介入する必要なしに、或る短絡した状態を除く効果を有することに留意されたい。
【０１３１】
図１５は、高抵抗部分を有する加速電極を備えたＥＦＡの別の実施例を示す。図１４に示されるＥＦＡ１４００とＥＦＡ１５００との間の主な相違は、後者においては、低抵抗部分１５０８が加速電極１５０９の高抵抗部分１５０３内に完全に収容される（すなわち、周囲の高抵抗材料によって完全に封入される）ことである。この変更により、この発明のこの実施例に少なくとも２つの利点が与えられる。第一に、高抵抗部分１５０３内に低抵抗部分１５０８を完全に封入すると、ＨＶＰＳ１５０１の高電圧の「ホットな」端子に不用意にまたは偶発的に直接接触するのを妨げることによってＥＦＡの安全が高められる。第二に、この構成により、コロナ電流が、表面領域だけでなく、高抵抗部分１５０３のより多くの部分または体積を通じて流れるようにされる。大抵の高抵抗材料（たとえばプラスチックまたはゴム）に対する表面導電性は、体積（すなわち内部の）導電性と同じオーダであるが、累進的な表面の汚染および劣化のために劇的に異なる（たとえば、時間とともに数桁のオーダで増加しつつ変化する）可能性がある。
【０１３２】
ＥＦＡは、加速電極の表面における流体に存在する粒子を集める固有の能力を有する。いくらかの量または分量の粒子が集められるかまたは加速電極上に蓄積する場合、当該粒子は汚染物質の連続した固体層、たとえば連続した膜で電極の表面を覆う可能性がある。この汚染物質の層の導電性は、高抵抗材料自体の導電性よりも高い可能性がある。このような場合、コロナ電流はこの汚染物質層を通って流れ、高抵抗材料が与える利点を損なうおそれがある。図１５のＥＦＡ１５００は、高抵抗部分１５０３内に低抵抗部分１５０８
を完全に封入することによってこの問題を回避する。低抵抗部分１５０８が、ＨＶＰＳ１５０１の供給端子またはＨＶＰＳ１５０１から電力を供給する導電性ワイヤ１５０５と連続しているかまたはそれに直接接触するいずれかの点を有する必要がないことに留意されたい。これらの導電性部分の主な機能は、加速電極１５０９の長さに沿って電位の平衡を保つこと、すなわち低抵抗部分１５０８と接触する高抵抗部分１５０３がいくらかの等電位で維持されるように電流を分配することであることが理解されるべきである。加えて、（イオン化端１５１０を含む）コロナ電極１５０２が接地される場合、高い動作電圧によって負傷および／または感電死を招くおそれのある危険な電流レベルに不注意にまたは偶発的にさらされる機会が実質的に減じられるかまたはなくなるが、これは、構造全体にわたって接触する「ホットな」電位が存在しないからである。
【０１３３】
図１６は、（好ましくはイオン化端１６１０を有する長手方向に向けられたワイヤとして形成される）コロナ電極１６０２と加速電極１６０３とを備えたＥＦＡアセンブリ１６００の概略図であり、当該加速電極１６０３は水平に積み重ねられた複数の高抵抗バーを含み、その各々が加速電極の幅に沿って低減する異なる抵抗値を有している。加速電極１６０３はいくつかのセグメント１６０８〜１６１２でできており、各々が、隣接する隣りのセグメントに直に接触している。これらのセグメントの各々は、異なる特定の抵抗値ρnを有する材料でできているかまたはそのように設計されている。特定の抵抗がＨＶＰＳ
１６０１端子接続の方に漸進的に（すなわち、セグメント１６０８〜１６０９、１６１１および１６１２から逓減して）減少する場合、結果的な電界が流体の流れの主要な方向に対する直線性の点でより均一であることが決定されている。図１４および図１６においては、コロナ電極１４０２／１５０２と加速電極１４０３／１５０３との間に示される電界線が流体の流れの主要な方向に対して完全に平行ではなく湾曲していることに留意されたい。この湾曲により、イオンおよび他の荷電粒子が方向の範囲にわたって加速され、これによりＥＦＡの効率を低下させる。一連の加速電極抵抗値を有することにより、特にコロナ電流が或る最大値に達するとイオンの軌道が流体の流れの主要な方向と整列することが分かった。加速電極１６０３が、例示の目的でそれぞれの抵抗値ρnを持ついくつかの別
個のセグメントを含むよう示されるが、抵抗値が電極の幅にわたって絶えず異なるようにされ得ることにも留意されたい。当該幅にわたる漸進的な抵抗の変動は、たとえば、漸進的な抵抗の増加または低減を達成するために適切に変化する濃度レベルで好適な不純物質をイオン注入することを含むいくつかのプロセスによって達成され得る。
【０１３４】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、加速電極１７０３が高抵抗材料で作られているＥＦＡ１７００のさらに別の実施例の概略図である。例示の目的で、図１７Ａおよび図１７Ｂは、特定の数のコロナ電極１７０２および加速電極１７０３をそれぞれ示すが、他の数および構成がこの発明のさまざまな実施例に合致して用いられてもよい。
【０１３５】
加速電極１７０３は、１つ以上の高抵抗材料の薄い細片または層でできている。コロナ電極１７０２は金属または導電性セラミックなどの低抵抗材料でできている。ＨＶＰＳ１７０１は導電性ワイヤ１７０４および１７０５によってコロナ電極１７０２および加速電極１７０３に接続される。コロナ電極１７０２の幾何学的構成は、電極が維持および据付が本質的により難しい針または細いワイヤとして形成され、かつＥＦＡの通常の動作の途中で損傷を受けやすい幾何学的構成とは異なる。各コロナ電極１７０２の下流の縁はイオン化端１７１０を含む。他の小さな物体と同様に、典型的にはコロナ電極に用いられる細いワイヤは脆いので信頼性がない。代わりに、図１７Ａおよび図１７Ｂに示されるこの発明の実施例は、比較的幅の広い金属製の細片の形をしたコロナ電極を備える。これらの金属の細片は、その「下巻の」縁に沿ってコロナ放電を容易に発生させるように必然的にコロナ放電端部が薄いが、当該細片は（空気流の向きに沿った方向に）比較的広く、これにより、それに対応して細いワイヤほど脆弱ではない。
【０１３６】
図１７Ａに示されるＥＦＡ１７００の別の利点は、先のシステムにおいて用いられるよりも実質的に薄い加速電極１７０３を含む。すなわち、先の加速電極は、加速電極の縁の周辺および周囲に電界を発生させないようにするために、典型的には関連するコロナ電極よりもはるかに厚い。図１７Ａに示される構成は、加速電極１７０３の平坦な面とは逆または反対側のコロナ電極１７０２の縁（この発明の図ではコロナ電極の右側の「下巻の」縁）の配置により、加速電極１７０３による電界の発生を最小限にするかまたはなくす。すなわち、コロナ電極１７０２の本体のうち少なくとも一部分が加速電極１７０３の前縁を通り過ぎる所望の流体の流れの方向へ下巻の方に延在し、これにより、コロナ電極１７０２のその後縁に沿った動作部分が、加速電極１７０３の延在した平坦面の間かつそれらのすぐ近くにコロナ放電を発生させる。この方向付けおよび構成により、コロナ電極１７０２の後縁の周囲に形成される対応する電界強度よりも実質的に低い電界強度がこのような平坦面の近傍において与えられる。こうして、コロナ放電は、加速電極１７０３の表面ではなく、コロナ電極１７０２の後縁の近傍に生成される。
【０１３７】
コロナ放電の開始直後に、コロナ電流が、流体内のイオンおよび荷電粒子の生成と、導電性ワイヤ１７０５を介する加速電極１７０３の本体に沿ったＨＶＰＳ１７０１へのこのような電荷の移動とにより、コロナ電極１７０２と加速電極１７０３との間に位置する加速すべき流体（たとえば空気、絶縁液体など）を通って流れる。反対方向には（すなわち、加速電極１７０３から流体を通りコロナ電極１７０２へと）電流が流れないので、バックコロナは生成されない。この構成により、（矢印１７０７で示される）所望の流体の流れの方向に対し、別の構成で与えられ得るよりも実質的に直線的な（線１７０６で表される）電界がもたらされることがさらに分かった。流体の流れの主要な方向に対して横方向の電界の等電位線を生成する加速電極１７０３にわたる電圧降下により、電界の直線性が一層高められる。電界線がこのような等電位線と直交しているので、当該電界線は主要な流体の流れの方向に対しより平行となる。
【０１３８】
図１７Ａに示されるＥＦＡ１７００の別の利点は、加速電極１７０３の介在する構造によりコロナ電極１７０２の活性部分（すなわち、図に示される右縁）を互いから隔離することによって提供される。こうして、コロナ電極は互いを「見ることなく」、したがって、先のシステムとは異なり、コロナ電極１７０２は互いに極めて近接して（すなわち、図１７Ａに示されるように垂直方向に）位置決めされ得る。図１７Ａに関連して説明される設計の特徴を用いることにより、実質的でより大きな流体の流れを実現するのを阻む２つの主要な障害が回避される。これらの障害のうち第１の障害は、典型的な加速電極の比較的前面が厚い部分によってもたらされる高い空気抵抗である。この発明の構成により、抗力が低い幾何学的構成を有する、すなわち空気力学的に「好適な」形状に形成されるコロナ電極および加速電極がともに提供される。たとえば、これらの幾何学的構成がもたらす大気に対する抗力Ｃｄの係数は、１を超えず、好ましくは０．１未満、より好ましくは０．０１未満である。実際の幾何学的構成または形状は所望の流体の流れと加速すべき流体の粘性とに必然的に依存しており、これらの因子は設計間で異なっている。
【０１３９】
この発明のこの実施例によって克服される第２の障害は、先の構成に従って必要とされかつ先の構成によって認められる従来の電極間の間隔の要件のために起こり得る結果的に低密度な電極である。たとえば、引用によりこの明細書中に全体が援用される米国特許第４，８１２，７１１号は、互いから５０ｍｍの距離の間隔を空けて配置された４つのコロナ電極を示す。当然のことながら、この比較的低密度で少数の電極では、結果として得られる低レベルの流体の流れでもって極めて低電力のレベルにしか対処し得ない。対照的に、この発明の実施例は、コロナとアトラクタとの間の１０ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満の間隔に対処する。
【０１４０】
電極のさらに別の構成が図１７ＢのＥＦＡ１７００に関連して示される。この場合、コ
ロナ電極１７０２は、矢印１７０７で示される所望の流体の流れの方向に加速電極１７０３から予め定められた距離をあけて配置される。また、結果的な電界は、コロナ電極１７０２から出て加速電極１７０３に向けられる破線で示されるように実質的に直線的である。しかしながら、所望の流体の流れの方向に対して、コロナ電極１７０２が加速電極１７０３の「中間」には配置されないことに留意されたい。
【０１４１】
図１７Ａに示されるこの発明のさまざまな実施例の目的は、他の場合に可能であるかまたは他のＥＦＡ装置によって実現される以外の現在の製造技術と合致した間隔のより狭いコロナ電極（すなわち、より高密度の電極）を実現することに向けられる。すなわち、極端に薄く短い電極は、たとえば現在の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）と関連する半導体技術および能力と合致する単一の製造プロセスまたはステップによって容易に製造可能である。図１７Ａを再び参照すると、隣接するコロナ電極１７０２が互いから１ｍｍ未満またはさらにはわずか数μｍ未満の距離だけ間隔をあけて垂直に配置され得ることが分かるだろう。結果として電極密度が増加することにより、流体加速および流量が向上する。たとえば、米国特許第４，８１２，７１１号は、毎秒（ｍ／ｓｅｃ）０．５メートルの気流速度しか発生させることのできない装置を説明する。そうではなく、電極が１ｍｍの間隔をあけて配置される場合、電極密度の５０倍の増加と電力能力の向上とが実現されて、気流速度がこれに対応して、すなわち約２５ｍ／ｓｅｃまたは５，０００ｆｔ／ｍｉｎにまで高められ得る。さらに、いくつかのＥＦＡの段は、所望の流体の流れの水平な方向に連続して、またはタンデムに配置されてもよく、各段はさらに、それが連続した段を通過すると流体を加速させる。当該段の各々は直接隣接した段から予め定められた距離に配置され、この距離は、各段の対向する電極に印加される最大電圧によって決定される。特に、ある段のコロナ放電電極および加速電極がともにより近接して配置される場合、コロナ放電を開始しかつ維持するのに必要な電圧がより少なくて済む。したがって、ＥＦＡの全段は同様に、各段内で用いられるよりも低い動作電圧を考慮して、互いにより近接して配置され得る。この関係により、段内の（たとえば垂直方向の）電極密度にほぼ比例した水平方向の段密度が得られる。こうして、流体の流れの加速が電極間の距離の２乗に反比例するように、電極の「垂直」密度の増加が類似の「水平」密度をもたらすことが予想され得る。
【０１４２】
この発明のさまざまな実施例によって実現される利点は、加速電極の一部分として高抵抗材料を用いることに少なくとも部分的に起因する。高抵抗材料は、比較的高抵抗の材料、たとえば、炭素入りのプラスチックまたはゴム、ケイ素、ゲルマニウム、錫、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、セレン化カドミウムなどを含み得る。これらの材料は、１０1〜１０10'Ω−ｃｍ、より好ましくは１０4〜１０9'Ω−ｃｍ、
より好ましくは１０6〜１０7'Ω−ｃｍの範囲の特定の抵抗ρを有するはずである。高抵
抗材料を用いることにより高い電極密度が支持される。たとえば、近接して配置された金属の加速電極は、高い頻度でスパーク事象を発生させる不安定な動作特性を示す。対照的に、この発明の実施例に従った高抵抗電極は、より直線的な電界を生成し、これにより、スパークの発生と、加速電極の鋭い縁から出てくるバックコロナの生成とを最小限にする。バックコロナの除去については図１７Ａを参照すると理解され得る。
【０１４３】
さらに図１７Ａを参照すると、コロナ放電事象が、コロナ電極１７０２の後縁または右縁においてまたはそれに沿って発生するが、加速電極１７０３の前縁または左縁に沿って発生しないことが示され得る。これは、コロナ放電プロセスによって発生する電圧および電界分布のためである。たとえば、加速電極１７０３の左縁は、薄いかまたは鋭利にされているコロナ電極１７０２の右縁よりも少なくともいくらか厚い。電極付近の電界が電極の厚さにほぼ比例しているので、コロナ放電はコロナ電極１７０２の前縁で始まる。次いで、結果的なコロナ電流が、コロナ電極１７０２の後縁からＨＶＰＳ１７０１の高電圧端子へと２つの経路を通って流れる。第１の経路は、線１７０６で示される電界に沿った流
体のイオン化された部分を通る。第２の経路は加速電極１７０３の本体を通る。加速電極１７０３の本体を通って流れるコロナ電流は、結果として、この本体に沿って電圧降下をもたらす。この電圧降下は、加速電極１７０３の右縁に印加されるように高電圧端子から当該電極の左縁の方に進む。コロナ電流が増大すると、対応する増加がこの電圧降下に示される。ＨＶＰＳ１７０１の出力電圧が、加速電極１７０３の左縁に沿ってコロナ放電を始めるのに十分なレベルに達すると、これらの縁における電圧降下は、いかなる電圧の上昇をも減衰させ加速電極の縁に沿ったコロナ放電を妨げるのに十分に高い。
【０１４４】
この発明の他の実施例は、電極間の間隔をたとえば数ミクロンのオーダに減じ得る。このような間隔では、コロナ放電状態は比較的低い電圧で開始され得るが、そのコロナ放電は、電圧自体ではなく、電圧によって発生する高強度の電界によって引起こされる。この電界強度は、印加される電圧にほぼ比例し、対向する電極間の距離に反比例している。たとえば、約８ｋＶの電圧は、約１ｃｍの電極間の間隔でコロナ放電を開始するのに十分である。電極間の間隔を１０分の１の１ｍｍに減ずることにより、コロナ放電を開始するのに必要な電圧が約８００ボルトにまで減じられる。電極間の間隔を０．１ｍｍにさらに減ずると所要のコロナ開始電圧が８０Ｖに減じられ、１０ミクロンの間隔ではコロナ放電を開始するのに８ボルトしか必要とされない。これらのより低い電圧によって電極間の間隔と各段の間の間隔とがより狭くなり、これにより、全体的な流体の加速が数倍に増す。先に述べたように、この増大は電極間の距離の２乗にほぼ反比例しており、結果として、１ｃｍの間隔と比べて、空気流の全体的な増加がそれぞれ１００，１０，０００および１，０００，０００となる。
【０１４５】
高抵抗電極構造を用いる利点のさらなる説明が図１８Ａおよび図１８Ｂに関連して述べられる。図１８Ａを参照すると、ＥＦＡ１８００はコロナ電極１８０２と加速電極１８０３とを含む。加速電極１８０３は、低抵抗部分１８０４と高抵抗部分１８０６とを含む。コロナ電流は、矢印１８０５で示される電流の経路を介しコロナ電極１８０２と加速電極１８０３との間に存在するイオン化流体を通って（すなわち電極間の空間を通って）流れるが、その経路は、矢印で示されるように加速電極１８０３の高抵抗部分１８０６を通じて続いている。局所的な外乱、たとえばスパーク事象が発生すると、結果的な放電電流が、図１８Ｂの矢印１８０７で示される狭い経路を通るよう導かれる。次いで、当該電流が、高抵抗部分１８０６にわたってより幅広の経路１８０８に沿って進む。増加した電流の流れが加速電極１８０３の小さな領域から出て、経路１８０８にわたって次第に外方向に広がるだけであるので、経路１８０８にわたる結果的な抵抗は、このような電流が高抵抗部分１８０６の全体にわたって分配される場合よりも実質的に高くなる。したがって、増加した電流の流れによって知らされるスパークまたはスパーク前の事象が経路１８０８に沿った抵抗によって制限され、これにより電流が制限される。高抵抗部分１８０６が特定の抵抗と幅対長さの比率とを有するよう選択される場合、いかなる著しい電流増加も回避または軽減され得る。このような電流増加は、上述の放電もしくはスパーク、電極上もしくは電極間の異物（たとえば塵、虫など）の存在、ねじ回し、または電極間に据えられ電極に接触する指さえも含むいくつかの事象によって引起こされる可能性がある。
【０１４６】
この発明の別の実施例が図１９に示される。図示のとおり、ＥＦＡ１９００は加速電極１９０３の櫛状の高抵抗部分１９０６を含む。スパークなどのいかなる局所的な事象も、吸引電極１９０３のごく一部分にわたって、たとえば事象付近の単一または少数の歯にわたって流れるよう明確に制限される。通常の動作状態に関連付けられるコロナ電流は矢印１９０５で示される。たとえば、矢印１９０７および１９０８で示されるスパークなどの事象は、指または歯１９０６に沿って流れるよう制限される。この経路にわたる抵抗は、事象によってもたらされる電流のいかなる増加をも抑えるのに十分に高い。幅対長さの比率を選択するのではなく、歯の数を増すことで性能が高められることに留意されたい。典型的な１対０．１の幅対長さの比率が適切であり得るが、０．０５対１以下の比率がより
好ましいだろう。
【０１４７】
記載されたように、この発明のさまざまな特徴により、コロナ放電またはイオンの放出を発生させるために固体以外の材料を用いることが可能となる。概して、固体材料は単に「しぶしぶ」イオンの生成を諦め、これにより流体のＥＦＡ加速を制限する。同時に、水などの多くの流体は、コロナ放電を引起すよう位置決めされかつ形作られる場合、より多くのイオンを放出し得る。たとえば、コロナ放出材料として導電性流体を用いることが米国特許第３，７５１，７１５号に記載される。その中においては、涙滴の形をした容器が、導電性流体を入れるためのくぼみとして記載される。導電性流体は、たとえば水道水であってもよく、またはより好ましくは、ＮａＣｌ、ＨＮＯ３、ＮａＯＨなどの強電解質を含む水溶液であってもよい。図２０は、ＥＦＡ２０００が５つの加速電極２００３と４つのコロナ電極２００２とを含むこの発明の実施例に従ったＥＦＡの動作を示す。これらの電極はすべて断面で示される。コロナ電極は各々、狭く細長い非導電性シェル２００９から成り、当該非導電性シェル２００９はプラスチックまたはシリコンなどの絶縁材料で作られ、シェルの後縁または右側におけるイオン化端２０１０においてスロット２０１１が形成されている。コロナ電極２００２のシェル２００９は、適切な供給管を介して導電性の流体供給部または貯蔵器（図示せず）に接続される。コロナ電極２００２の後縁に形成されるスロット２０１１は、流体が流体分子の張力によってシェル２００９内に収容されるように十分に狭い。スロット２０１１は、スロットを通して導電性流体をゆっくりと一定に放出するために、スポンジ状の「障害」またはノズル部分を備えていてもよい。ＨＶＰＳ２００１は、導電性流体２００８が先の鋭い導体として作用し、かつスロット２０１１におけるコロナ電極２００２の後縁からイオンを放出するように、コロナ放電を発生させるのに十分な電圧を生成する。導電性流体２００８の結果的なイオンは、線２００６で表される電界に沿ってスロット２０１１から加速高抵抗電極２００３の方に移動する。流体がコロナ放電の発生に消費されると、当該流体は、適切な流体供給部または貯蔵器（図示せず）からシェル２００９を介して補充される。
【０１４８】
この明細書中に言及されるすべての公報、特許および特許出願がこの発明が関係する当業者のレベルを示すことが留意されかつ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、個々の公報、特許または特許出願の各々が全体として引用により具体的かつ個別に援用されるよう示されたのと同程度に、引用によりこの明細書中に援用される。
【符号の説明】
【０１４９】
１００ 高電圧電源、１０１ ＤＣ電圧源、１０４，１１３ 電力トランジスタ、１０５，１１４ キャパシタ、１０６ 高電圧昇圧変圧器、１０７ 一次巻線、１０８ 二次巻線、１０９ 電圧整流器、１１０ 抵抗器、１１１ ゲート信号コントローラ、１１３
トランジスタ、１１５ トランジスタ、１１６ キャパシタ、１１９ 高電圧キャパシタ、１２０ 端子、１２１ 抵抗器、１２２ ツェナーダイオード。
【技術分野】
【０００１】
関連出願
スパーク管理の方法および装置と題される、２００２年７月３日に出願された連続番号第１０／１８７，９８３号、流体の流れを制御するための静電流体加速器および方法と題される、２００３年１月２８日に出願された連続番号第１０／３５２，１９３号、静電流体加速器と題される、１９９９年１０月１４日に出願された連続番号第０９／４１９，７２０号、流体の流れの静電流体加速の制御のための方法および装置と題される、２００２年６月２１日に出願された連続番号第１０／１７５，９４７号、および流体の流れを制御するための静電流体加速器および方法と題される、２００２年７月３日に出願された連続番号第１０／１８８，０６９号の特許のすべてを全体としてここに引用により援用する。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、コロナ放電の発生のための方法および装置に関し、特に、流体の運動および制御のためにイオンおよび電界を使用した、流体、特に空気に速度および運動量を与えるための流体の加速のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．先行技術の説明
いくつかの特許（たとえば、シャノンらの米国特許第４，２１０，８４７号、およびスパージオンの第４，２３１，７６６号を参照）は、コロナ放電を使用してイオンを発生し、粒子を帯電させることができるという事実を認めている。そのような方法は、Chapman & Hall（1997）によって出版されたApplied Electrostatic Precipitationに記載される
ように静電集塵器および電気巻上機で広く使用されている。コロナ放電装置は、電極の対、たとえば、コロナ放電電極とアトラクタ電極との対に高電圧を印加することによって生成することができる。その場合、コロナ放電は、高電圧電源を電極の対に印加することによって生成される。電極は、（コロナ放電電極と呼ばれる）電極の１つの近位に不均一な電界を生成して、コロナ、および近くの相補的な電極（コレクタ電極またはアトラクタ電極と呼ばれる）に向かう、結果的なコロナ電流を生成するように構成および配置される。必要なコロナ放電電極の幾何学的形状は、典型的には、コロナ電流の流れの方法に向かうように向けられた、すなわち、コレクタ電極またはアトラクタ電極に面する、鋭い点または縁（edge）を必要とする。
【０００４】
したがって、少なくともコロナ放電電極は、電極の近傍で必要な電界の勾配を生成するように小さいか、または鋭い点もしくは縁を含まなければならない。コロナ放電は、より低いコロナ開始電圧とより高い破壊（またはスパーク）電圧との間の比較的狭い電圧の範囲で起きる。コロナ開始電圧より下方では、コロナ放電電極からイオンは放出されず、したがって、空気の加速は生成されない。一方、印加された電圧が絶縁破壊またはスパークのレベルに近づくと、スパークおよび電気的なアークが生じ、コロナ放電のプロセスを中断し、不快な電気的なアーク音を生じ得る。したがって、これら値の間で、特に流体の加速が最も効率的であるスパークレベルに近いがそのわずかに下方で高電圧を維持することが一般的に有利である。
【０００５】
静電装置でのスパークの問題に対処する特許がいくつかある。たとえば、ベーカーの米国特許第４，０６１，９６１号は、２段の静電集塵器の電源の動作周期を制御するための回路を説明している。この回路は、電源変圧器の一次巻線に直列に接続される切換装置と、切換装置を制御するように動作可能な回路とを含む。電源変圧器の一次巻線の電流を監
視するように適合された容量性ネットワークが制御回路を動作するために設けられる。通常の動作条件では、すなわち、電源変圧器の一次巻線の電流が定格の限界内であるときは、容量性ネットワークは電流が電源変圧器の一次巻線を通って流れるように制御回路を動作する。しかしながら、集塵器の構成要素間のアークによって生成され、かつ電源変圧器の二次巻線からその一次巻線へ反射される高電圧の過渡現象に関連する一次電流レベルの増加を検出すると、容量性ネットワークは制御回路を動作する。応答して、制御回路は、高電圧の過渡現象に関連するアーク状態がなくなるかまたは抑制されるまで、切換装置に変圧器の一次巻線を通る電流の流れを抑制させる。高電圧の過渡現象の終了後、ある時間間隔に続いて、切換装置は、一次巻線への電源を自動的に再確立し、これにより静電集塵器の電源の通常動作を再開する。
【０００６】
ベーカーらの米国特許第４，１５６，８８５号は、持続する過負荷が検出された後に動作可能な静電集塵器の電源のための自動電流過負荷保護回路について記載している。
【０００７】
ウェーバーの米国特許第４，３３５，４１４号は、静電集塵器の空気清浄器の電源のための自動電子リセット電流カットオフについて記載している。保護回路は、一次電力巻線、比較的高電圧を提供する二次巻線、および比較的低電圧を提供する三次巻線を有する鉄共振形変圧器を使用して電源を保護する。保護回路は、高電圧から得られた電圧を検知し、検知電圧を固定された基準と比較することにより、イオン化器またはコレクタセルでの過負荷の場合に電源の動作を抑制するように動作する。検知電圧が所定の値を下回るとき、一次の変圧器を通る電流の流れは所定の時間だけ抑制される。電流の流れは自動的に復旧され、回路は障害が解消されるまで周期的に電源を停止させる。基準電圧は三次巻線の電圧から得られ、短い持続時間の過負荷の状態に対する回路の感度が向上する。
【０００８】
先行技術によって認められているように、高電圧の印加には放電の危険がある。適用例によっては、放電は望ましい。他の多くの高電圧の適用例では、スパークは回避されるかまたは防止されるべき望ましくない事象である。これは、高電圧がスパークレベルの近くで、すなわち、絶縁破壊電圧の近くで維持される適用例に特に当てはまる。たとえば、電気集塵器は可能な最も高い電圧レベルで動作するため、スパークが生成されるのは避けられない。静電集塵器は、典型的には分あたりで５０〜１００のスパークのスパーク率を維持する。スパークが起こると、電源の出力は、通常ゼロボルトに降下し、その間に空中放電およびスパーク前の抵抗が再確立される「イオン消失時間」と呼ばれる所定の時間の経過後に動作を再開する。各スパーク事象は、高電圧装置の全体的な効率を低下させ、電極の劣化および経年変化の主な原因の１つである。スパークの発生は、多くの環境および関連する適用例、たとえば、家庭用の静電空気加速器、フィルタおよび電気器具などでは受入れられない不快な音も生じる。
【０００９】
スパークによって生じる望まれない騒音に加え、先行技術には他の非効率性もある。たとえば、コロナ放電電極およびアトラクタ電極の対は、不均一な電界を生成するように構成および配置されるべきであり、少なくとも１つの電極、すなわち、コロナ放電電極は、電極の近傍に好適な電界の勾配を提供するように比較的小さいか、および／または鋭い点または縁を含むことが多い。電極間に電圧を印加してイオンの生成のために必要な電界を効率的に生成するために使用される既知の構成がいくつかある。リーの米国特許第４，７８９，８０１号、および第６，１５２，１４６号、ならびにテイラーらの第６，１７６，９７７号は、電極の対にわたってパルス電圧波形を印加することについて記載しており、波形は１０％から１００％の間の動作周期を有する。これら特許は、そのような電圧の生成は、定常状態のＤＣ電力の印加と比較して、結果的なコロナ放電装置によるオゾンの生成を減少させると記載している。オゾンの生成を低減するためのそのような電圧生成の実際の利点にかかわらず、空気の流れの生成は１００％未満の動作周期を使用することにより実質的に減少し、結果生じる脈動性の空気の流れは不快とされる。
【００１０】
シャーマンらの米国特許第６，２００，５３９号は、約２０ｋＨｚの周波数で交流電圧を生成するための高周波数高電圧電源の使用について記載している。そのような高周波数高電圧の生成は、大きく比較的高価な電源を必要とし、典型的にはエネルギの損失が大きい。ワインバーグの米国特許第５，８１４，１３５号は、非常に狭い（すなわち、急勾配で短い持続時間の）電圧パルスを生成する高電圧電源について記載している。そのような電圧の生成は、比較的低体積かつ低速度の空気の流れのみを生成することができ、大きな空気の流れの加速または運動のためには好適ではない。
【００１１】
リーの米国特許第４，７８９，８０１号、ワインバーグの第５，６６７，５６４号、テイラーらの第６，１７６，９７７号、およびサカキバラらの第４，６４３，７４５号も、静電界を使用して空気を加速する空気運動装置について記載している。これら装置で実現される空気の速度は非常に低速であり、商業用または工業用の用途には実用的ではない。
【００１２】
エドワードの米国特許第３，６９９，３８７号および第３，７５１，７１５号は、空気の流れを向上するために連続して配置された静電空気加速器（ＥＦＡ）の複数の段の使用について記載している。これら装置は、吸引（attracting）（集電）（collecting）電極として導電性のメッシュを使用し、このメッシュは近隣のコロナ電極を分離する。メッシュは大きな空気抵抗を示し、空気の流れを損ない、ＥＦＡは望ましいより大きな流量を実現することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，２１０，８４７号
【特許文献２】米国特許第４，２３１，７６６号
【特許文献３】米国特許第４，０６１，９６１号
【特許文献４】米国特許第４，１５６，８８５号
【特許文献５】米国特許第４，３３５，４１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
残念ながら、これら装置のどれも商業的に実現可能な量の空気の流れを生成することはできない。従来の空気運動装置の複数の段を設けることは、それ自身では解決策を提供しない。たとえば、連続して配置された静電流体加速器の５つの直列の段は、１つの段のみよりも１７％大きい空気の流れをもたらすのみである。たとえば、スパージオンの米国特許第４，２３１，７６６号を参照されたい。同様に、電極の互いに対する相対的な場所を変えても、ＥＦＡの性能および流体の速度の改善は限られている。たとえば、米国特許第４，８１２，７１１号は、わずか０．５ｍ／ｓの空気の速度の生成を報告しており、商業的な扇風機および送風機に期待されかつそこから利用可能なものをはるかに下回る。
【００１５】
したがって、商業的に有用な流量を生成しつつ、スパークなどの望ましくない寄生的な影響を最小化することのできる実用的な静電流体加速器が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
この発明は、効率を向上し、大きな出力を提供し、スパークおよびオゾンの生成の低減などの寄生的な影響を低減または排除するためのイオン発生装置およびプロセスに向けられた特徴を含む。
【００１７】
スパーク開始電圧レベルは電極の同じセットでも一定の値を有さないことがわかっている。スパークは突然の事象であり、確実に予測することはできない。電気的なスパークの
発生は予測不可能な事象であることが多く、複数の原因によって引起され、それらの大半ではないとしても多くは一時的な状態である。スパークの開始は、湿度、温度、汚染およびその他のような流体（すなわち、絶縁体）の状態とともに変動する傾向がある。電極の同じセットでは、スパーク電圧は１０％以上の開始の幅の変動を有し得る。
【００１８】
当該技術分野で知られる高電圧の適用例および装置は、典型的にはスパークが生成されて初めてスパークに対処する。すべてのスパークが回避されるべきであれば、動作電圧は比較的低いレベルに維持しなくてはならない。必然的に低減される電圧レベルは、静電流体加速器および集塵器などの関連する装置の空気の流量および装置の性能を低下させる。
【００１９】
上述のように、以前の技術および装置は、スパークの開始後に初めてスパーク事象に対処し、スパークが生じるのを防止するための商業的に実用的な技術的な解決策はなかった。（単に存在するアークを消すのではなく）スパークを回避しつつ、スパークを生成しそうな範囲内に電圧レベルを維持するための動的な機構を提供することは、より効率的な動作に繋がり、スパークに伴う電気的なアーク音を回避する。
【００２０】
この発明の１つの特徴は、これに限らないがコロナ放電システムなどの装置のための高電圧の生成を可能にする。この発明は、完全な絶縁破壊およびスパーク放電より或る時間前にスパークの開始を検出する能力を提供する。この発明の特徴である、「無慣性の」高電圧電源を用いることによって、スパークに関連する放電を管理することができる。このようにして、スパーク開始レベルに実質的により近い高電圧レベルを用いつつ、スパークの発生を防止することが実用的になる。
【００２１】
この発明の特徴および局面は、絶対的なスパークの抑制が必要とされないか、または望ましくないこともあり得るようなスパーク管理にも向けられる。
【００２２】
この発明の一局面によると、スパーク管理装置は、高電圧電源、および負荷装置に提供される電流のパラメータを監視するように構成された検出器を含む。パラメータに応答して、スパーク前の状態が識別される。切換回路はスパーク前の状態の識別に応答して、負荷装置に提供される電流を制御する。
【００２３】
この発明の特徴によると、高電圧電源は、一次電源を高電圧の電源に変換して電流を供給するように構成された高電圧電源を含み得る。
【００２４】
この発明の別の特徴によると、高電圧電源は、昇圧変圧器、および出力が昇圧電圧器の一次巻線に接続されている交流（ａｃ）パルス発生器を含む高電圧の電源を含み得る。整流回路は、昇圧変圧器の二次巻線に接続されて高電圧レベルで電流を提供する。
【００２５】
この発明の別の特徴によると、高電圧電源は、低慣性の出力回路を有する高電圧電源を含み得る。
【００２６】
この発明のさらに別の特徴によると、高電圧電源は、電流の流れを監視するように動作可能な制御回路を含み得る。スパーク前の状態の検出に応答して、電流の電圧はスパークの発生に貢献しないレベルに下げられる（たとえば、スパークレベルより下）。
【００２７】
この発明のさらに別の特徴によると、負荷回路は、スパーク前の状態の識別に応答して、電流の実質的な部分を選択的に受取るために高電圧電源に接続されてもよい。負荷回路は、たとえば、電気エネルギを消散するための電気装置（たとえば、電気エネルギを熱エネルギに変換する抵抗器）、または電気エネルギを蓄えるための電気装置（たとえば、キャパシタまたはインダクタ）であり得る。負荷装置は、電流を受取ってコロナ放電を作る
ように構成された複数の電極を含むコロナ放電装置の異なる段などの何らかの動作装置を含んでもよい。コロナ放電装置は、静電空気加速装置、静電空気清浄器および／または静電集塵器の形であってもよい。
【００２８】
この発明の別の特徴によると、切換回路は、電源によって供給される一次負荷装置に加え、選択的に補助装置に電力を与えるための回路を含んでもよい。初期のスパークが検出されると、一次装置に定期的に供給される電力の少なくとも一部分は、スパーク前の状態の識別に応答して補助装置に向けられ、一次装置の電圧を低下させ、スパークを回避する。一次負荷および装置の１つまたは両方は、コロナ放電構成によって作られた静電力の影響下で流体を加速するように構成された空気処理装置であってもよい。
【００２９】
この発明の別の特徴によると、検出器は、スパーク前の状態に関連する電流レベルまたは波形の変化、電圧レベルまたは波形の変化、もしくは磁気的、電気的または光学的な事象を含む現象に感度があってもよい。
【００３０】
この発明の別の局面によると、スパーク管理の方法は、装置に高電圧電流を供給するステップと、高電圧電流を監視して装置のスパーク前の状態を検出するステップとを含む。高電圧電流は、スパーク前の状態に応答して制御され、スパーク前の状態に関連するスパーク事象の発生を制御する。
【００３１】
この発明の別の特徴によると、監視するステップは、高電圧電流で電流スパイクを検知するステップを含み得る。
【００３２】
この発明の特徴によると、高電圧電流を供給するステップは、電源を一次電圧レベルから一次電圧レベルより高い二次電圧レベルに変圧するステップを含み得る。二次電圧レベルの電力を整流して、高電圧電流を装置に供給してもよい。これは、出力電圧または装置の電圧、たとえば、コロナ放電空気加速器のコロナ放電電極の電圧レベルを低減するステップを含んでもよい。電圧はスパークの発生に貢献しないレベルに低減してもよい。制御は、高電圧電流の少なくとも一部分を補助負荷装置を経由させることによっても実現することができる。経由させるステップは、高電圧電流を供給する高電圧電源の出力回路に抵抗器を切換えることによって行なうことができる。
【００３３】
この発明の別の特徴によると、付加的なステップは、流体をコロナ放電電極に導入するステップと、高電圧電流でコロナ放電電極に通電するステップと、流体にコロナ放電を生成するステップと、コロナ放電の影響下で流体を加速するステップとを含む。
【００３４】
この発明の別の局面によると、静電流体加速器は、コロナ放電電極およびコレクタ電極のアレイ、ならびに電気的にアレイに接続されて高電圧電流をコロナ放電電極に供給する高電圧電源を含んでもよい。検出器は、高電圧電流の電流レベルを監視して、応答してスパーク前の状況を識別するように構成してもよい。切換回路は、スパーク前の状態の識別に応答して高電圧電流を制御してもよい。
【００３５】
この発明の特徴によると、切換回路は、スパーク前の状態に応答して高電圧電源によるコロナ放電電極への高電圧電流の供給を抑制するように構成してもよい。
【００３６】
この発明の別の特徴によると、切換回路は、スパーク前の状況の識別に応答して高電圧電流の少なくとも一部分を受取るように構成されたダンプ抵抗器を含んでもよい。
【００３７】
コロナ放電スパークには、差し迫ったスパーク事象の発生を伝える或る観測可能な電気的な事象が先行し、それを監視して絶縁破壊が生成しそうなときを予測できることがわか
っている。スパークの指標は、電流の増加、またはコロナ放電の近傍での磁界の変化または変動（たとえば、増加）、もしくは回路内または電極の環境での観測可能な状態であり得る。特に、スパーク事象には典型的にはコロナ電流の増加が先行することが実験的に明らかになっている。この電流の増加は、スパーク事象の短い時間（すなわち、０．１から１．０ミリ秒）前に起こる。電流の増加は、関連する電気的な放電の約０．１〜１．０ミリ秒（ｍｓｅｃ）前に見られる短い持続時間の電流スパイクの形であり得る。この増加は実質的には電圧の変化には非依存である。スパーク事象を防止するために、初期の電流スパイクを検出して、およびコロナ放電電極に印加されるおよび／またはコロナ放電電極の電圧レベルをスパークレベルを下回るように急速に低下させる必要がある。
【００３８】
そのようなスパーク管理を可能にするためには２つの条件を満たさなければならない。第１に、高電圧電源は、スパーク事象が発生する前に、すなわち、事象の検出からスパーク事象の開始までの時間内に出力電圧を急速に低下させることができなければならない。第２に、コロナ放電装置は、スパークの前に、蓄えられた電気エネルギを放電すること、すなわち、放電することができなければならない。
【００３９】
コロナ電流の増加とスパークとの間の時間は０．１〜１．０ｍｓｅｃのオーダーである。したがって、コロナ放電装置（電源および電力を供給されているコロナ放電電極のアレイを含む）に蓄えられた電気エネルギは、蓄えられたエネルギを短い時間、すなわち、ミリ秒以下の範囲の短い時間で消散させることができなければならない。さらに、高電圧の電源は、電圧の生成を好ましくはミリ秒以下またはマイクロ秒の範囲で中断するために、「低慣性の」特性（すなわち、その出力での電圧レベルを急速変化させることができる）および回路を有さなくてはならない。そのような急速な電圧の減少は、蓄えられたエネルギが少ない１００ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲で動作する高周波切換高電圧電源、および出力電圧を急速に低下または停止するための回路を使用して実際に可能である。そのような能力を提供するため、電源は、コロナ電流のスパイクの検出と結果的なスパーク事象との間の時間よりも小さい「シャットダウン」期間（すなわち、高電力出力を中止するために必要な時間）で高い切換周波数で動作しなければならない。最新技術の電源は１ＭＨｚまでの切換周波数で動作することができ、特に適切に設計された（たとえば、無慣性の）電源は、必要なミリ秒以下の範囲で電力の生成を中断することができる。つまり、電源を停止し、出力電圧を安全なレベル、すなわち、スパークの形の放電の開始を十分に下回るレベルに大きく低下させることができる。
【００４０】
電気的なスパークに先行する電気的な事象を検出するためにさまざまな技術がある。電流センサは、ピーク、または平均、もしくはＲＭＳ、またはその他の出力電流の大きさまたは値、ならびに電流の変化率、すなわち、ｄＩ／ｄｔを測定するために使用することができる。またはこれに代えて、電圧センサを使用して、電圧供給の電圧レベルまたはＡＣ成分の電圧レベルを検出してもよい。差し迫ったスパーク事象を識別するために監視可能な別のパラメータは、出力電圧の降下、または出力電圧のＡＣ成分の電圧の時間に対する第１の導関数（すなわち、ｄＶ／ｄｔ）である。スパークの形の放電に先行する電界または磁界の強度もしくはコロナ放電での他の変化を検出することも可能である。これら技術の共通の特徴は、コロナ電流のスパイクの増加には出力電圧の増加または実質的な電力のサージ（surge）が伴わないことである。
【００４１】
異なる技術を用いて、電源によって生成される出力電圧を急速に低下させてもよい。好ましい方法は、電力トランジスタ、またはＳＣＲ、もしくは昇圧変圧器の一次に供給されるパルス高周波ａｃ電力を作る電源の他の切換構成要素を停止して、電力生成プロセスを中断することである。この場合、切換構成要素は動作しないようにされ、負荷には電力は生成または供給されない。この方法の欠点は、電源の構成要素、特にキャパシタおよびインダクタなどの出力フィルタリング段に蓄積された残留エネルギ（浮遊容量および漏れイ
ンダクタンスを含む）をどこかに解放しなければならない点、すなわち、適切なエネルギのシンク（sink）、典型的には「グラウンド」に放電しなければならない点である。何らかの急速な放電機構がないと、電源によって蓄えられた残留エネルギが負荷に解放され、出力電圧が低下する速度を低速化する（すなわち「低下させる」）。またはこれに代えて、好ましい構成および方法は、磁気的な構成要素（変圧器および／または複数の巻線のインダクタ）の一次巻線（すなわち、巻線の端子を相互接続する）を電気的に「ショート」させて、磁界を崩壊させることにより蓄えられたエネルギを消散させ、エネルギが負荷に伝達されないようにするものである。別の、より根本的な方法は、電源の出力を比較的低い値の抵抗にショートさせる。この抵抗は、しかしながら、スパーク抵抗よりもずっと高くなければならず、同時に、スパーク事象の直前に現われるような電源を供給されているコロナ放電装置の動作抵抗よりも低くなくてはならない。たとえば、高電圧のコロナ装置（たとえば、静電流体加速器）がスパークの検出の直前には１ｍＡの電流を消費し、電源からの出力電流が、スパーク事象中（または他のショート回路状態）に電流制限装置（たとえば、一連の電流制限抵抗）により１Ａに制限される場合、負荷に（すなわち、コロナ放電装置のコロナ放電電極およびアトラクタ電極の間に）印加される「ダンピング」抵抗は、１ｍＡより大きいが（すなわち、抵抗を低くして、通常動作の負荷電流よりも多くの電流を伝えなければならない）、１Ａよりも小さく生じなければならない（すなわち、最大のショート電流によって制限される電流よりも小さい）。この付加的なダンピング抵抗は、高電圧のリードタイプのリレーまたは他の高電圧高スピードのリレーもしくは切換構成要素（たとえば、ＳＣＲ、トランジスタ等）により電源の出力に接続されてもよい。無慣性の高電圧電源の共通のかつ重要な特徴は、初期のスパーク事象に先行しかつそれを示す電気的な事象から、何らかの介入がない場合にスパークが実際に起こったであろう時間までの時間よりも短い時間で、すなわち、典型的にはミリ秒以下またはマイクロ秒の範囲で電力の生成を中断することができる点である。
【００４２】
そのような無慣性の電源の別の重要な特徴は、電源の構成要素に蓄積されかつ蓄えられた残留エネルギが、負荷、たとえば、コロナ放電装置での放電プロセスを実質的に減速させるべきでないか、またはさもなければ妨げるべきでないという点である。たとえば、コロナ放電装置がそれ自身の電気エネルギを５０マイクロ秒で放電し、スパーク事象までの最小の予想時間が１００マイクロ秒である場合、電源は放電時間に５０マイクロ秒より多く付加してはならず、実際の放電時間は１００マイクロ秒を超えない。したがって、高電圧電源は、電力トランジスタなどのアクティブな構成要素がオフにされた後にコロナ放電装置にそれらのエネルギを放電し得るキャパシタまたはインダクタのようなエネルギ蓄積構成要素を使用するべきではない。この能力および機能性を提供するため、高電圧変圧器は、比較的小さな漏れインダクタンスを有し、かつ出力フィルタ容量性が小さいかまたは出力フィルタ容量性を有さないべきである。電圧乗算器およびフライバックインダクタを含む従来の高電圧電源のトポロジーは、そのようなスパーク管理または防止に一般的には好適ではない。
【００４３】
この発明は、イオン発生プロセスが単に電圧を２つの電極に印加するよりも複雑であるという事実を認めるかまたは理解するために先行技術の欠点に対処する。先行技術のシステムおよび方法は、一般的には、大きな空気の流れを生成すると同時にオゾンの生成を制限することができない。
【００４４】
コロナ関連のプロセスは３つの共通の局面を有する。第１の局面は、流体の媒体内での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の分子および異物の粒子の帯電である。第３の局面は、対向する（コレクタ）電極に向けての（すなわち、電界線に沿った）帯電した粒子の加速である。
【００４５】
イオンによって引起される空気または他の流体の加速は、イオンの量（すなわち、数）
および流体の粒子の近くで電荷を誘発して流体の粒子を対向する電極に向かって推進するそれらの能力に応じて異なる。同時に、オゾンの発生は、電極に印加された電力に実質的に比例する。イオンが流体に導入されると、それらは粒子および中性に帯電した流体の分子に付着する傾向がある。各粒子は、特定の粒子のサイズに応じて限られた量の電荷のみを受取ることができる。以下の式によると、電荷の最大量（いわゆる飽和電荷）は次のように表わすことができる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
ここでｄp＝粒子サイズ、εrは電極の対の間の絶縁材料の誘電率、ε0は真空での誘電
率である。
【００４８】
この式から、或る数のイオンが流体に導入されると近くの分子および周囲の粒子を最大レベルに帯電させることがわかる。このイオンの数は１つの電極から別の電極に流れる電荷の数を示し、２つの電極間を流れるコロナ電流を決定する。
【００４９】
一旦帯電されると、流体の分子は電界の向きで対向するコレクタ電極に引付けられる。力Ｆが作用するこの方向付けられた空間は、電界の強度Ｅに依存する電荷Ｑを有する粒子を動かし、これは電極に印加される電圧に比例する。
【００５０】
Ｆ＝−Ｑ*Ｅ
コロナ電流により最大数のイオンが流体に導入されかつ結果的な電荷が印加された電圧のみにより加速される場合、実質的な空気の流れが生成され、平均的な電流消費は実質的に低減される。これは、電極間の電圧が実質的に一定であるときに、コロナ電流が何らかの最低の値から最大の値へと値がどのように変化するかを制御することによって実現可能である。言い換えると、（印加される平均的な高電圧に比例して）電極に印加される電力電圧の高電圧リップル（または、交流成分）を最小化しつつ、電流のリップルを実質的に高く保ち、理想的には電流の全平均またはＲＭＳの振幅に匹敵するように保つことが有利であることがわかっている。（別段の記載がないかまたは用法により暗示されない場合、ここで使用されるように、「リップル」という言葉および「交流成分」という語句は、正弦波、正方形、鋸歯状、不規則、複合等の時間的に変動するすべての信号波形を含む信号の時間的に変動する成分を指し、さらに「交流」または「ａｃ」としても知られる双方向性の波形およびパルス直流電流または「パルスｄｃ」などの一方向性の波形の両方を含む。さらに、文脈によって別に示されない限り、これらに限らないが「リップル」、「ａｃ成分」、「交流成分」等を含む言葉とともに使用される「小さい」、「大きい」等の形容詞は、信号の電位（または「電圧」）および信号の流量（または「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示す。電圧波形と電流波形とのそのような区別は、コロナ電極およびアトラクタ電極のコロナ発生アレイのリアクタンス性（容量性）の成分によってコロナ関連の技術および装置で可能である。容量性成分は比較的低い振幅の電圧交流成分を生じ、比較的大きい対応する電流の交流成分を生成する。たとえば、小さいリップルで高電圧を生成する電源をコロナ装置で使用することが可能である。これらリップルは比較的高周波数「ｆ」でなければならない（すなわち、１ｋＨｚよりも大きい）。以下のように、電極（すなわち、コロナ電極およびコレクタ電極）は、高周波数の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を示すようにそれらの互いの容量Ｃ
が十分に大きくなるよう設計される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
電極は、非リアクタンス性のｄｃ抵抗およびリアクタンス性のａｃ容量性インピーダンスの並列接続を表わすか、またはそれとして見ることができる。オーム抵抗によりコロナ電流は１つの電極から別の電極へと流れる。この電流の振幅は、印加された電圧の振幅にほぼ比例し、実質的に一定である（ｄｃ）。容量性インピーダンスは、電極間の電流のａｃ部分を生じさせる。この部分は、印加された電圧のａｃ成分の振幅（「リップル」）に比例し、かつ電圧の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ａｃ成分の振幅は電流のｄｃ成分よりも少ないかまたは大きくなり得る。
【００５３】
小さな振幅のリップルで高電圧（すなわち、フィルタリングされたｄｃ電圧）を生成することができるが、電極にわたって比較的大きなａｃ成分（すなわち、大きな振幅の電流のリップル）で電流を提供する電源により、イオンの発生および流体の加速が向上され、空気の場合には、オゾンの生成が大きく低減されるかまたは最小化される。したがって、コロナ電流のｄｃ成分の振幅によって除したコロナ電流のａｃ成分の振幅として規定される比率または分数として表現される電流のリップル（すなわち、Ｉａｃ／Ｉｄｃ）は、電圧のリップルよりかなり大きく（すなわち、少なくとも２倍）、好ましくは電圧のリップルの少なくとも１０倍，１００倍であり、より好ましくは、電圧のリップルの１０００倍の大きさで、後者は、同様に、ｄｃ成分の振幅によって除したコロナ放電電極に印加される電圧の時間的に変動する成分またはａｃ成分の振幅として規定される（すなわち、Ｖａｃ／Ｖｄｃ）。
【００５４】
さらに、最適なコロナ放電装置の性能は、平均的な電圧の振幅に対して出力電圧が小さな振幅の電圧交流成分を有するときに実現され、電極および介在する絶縁体を通る流れ（すなわち、加速される流体）は、電圧の交流成分（ｄｃ電圧に対する）より少なくとも２倍、より好ましくは１０倍大きく（ｄｃ電流成分に対して）、すなわち、電流のａｃ／ｄｃの比率は、２倍、１０倍だけ大きく、または印加される電圧のａｃ／ｄｃの比率よりも大きい。つまり、結果的な電流が以下の関係を満たすようにコロナ放電電極に電圧を生成することが好ましい。
【００５５】
【数３】
【００５６】
上述の要件のいずれかが満たされる場合、電流および電圧のａｃ／ｄｃの比率がほぼ等しい場合の電源と比較して、結果的なコロナ放電装置は、動かされる流体の立方フィートあたりの消費電力が少なくなり、（空気の場合）オゾンの生成が少なくなる。
【００５７】
これら要件を満たすため、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なければならない。特に、電源は、最低限のみの、かつ同時に比較的高周波数のリップルで高電圧の出力を生成しなければならない。コロナ発生装置自身は、電極を通る、すなわち、１つの電極から別の電極への実質的に高周波数の電流の流れを提供する所定の値の設計された浮遊または寄生キャパシタンスを有するべきである。電源が低周波数のリップルを生成する場合、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に
は匹敵しない。電源が非常に小さいリップルを生成するかまたはリップルを生成しない場合、交流電流は直流電流には匹敵しない。コロナ発生装置（すなわち、電極のアレイ）が低いキャパシタンス（寄生および／または電極の間の浮遊キャパシタンスを含む）を有する場合、交流電流はこの場合も直流電流には振幅で匹敵しない。大きな抵抗が電源と電極のアレイとの間に設けられると（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）、ａｃ電流のリップルの振幅は減衰され（すなわち、減少し）、振幅では電流のｄｃ（すなわち、一定）成分のそれに匹敵しない。したがって、所定の電圧および電流の関係が存在するように或る条件が満たされる場合のみ、コロナ発生装置は最適に機能して、十分な空気の流れを提供し、動作効率が向上され、望ましいオゾンのレベルが得られる。結果的な電源は、費用もかからない。
【００５８】
特に、リップルを発生する電源は、さもなければ電源の出力に接続された比較的高価でかつ物理的に大きな高電圧のキャパシタによって提供される出力のフィルタリングを必要としない。これだけでも電源は費用がかからなくなる。さらに、そのような電源はより少ない「慣性」を有し、すなわち、蓄えられるエネルギが少なく、出力の振幅の変動を減衰させる傾向があり、したがって、リップルのないまたは無視可能なリップルの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。
【００５９】
この発明は、先行技術の空気の流れについての限界および一般的な能力のなさにおけるいくつかの欠点に対処して理論的に最適の性能を実現する。これら欠点の１つは、複数段のＥＦＡ装置に対する過度のサイズの要件を含む。連続して配置されるＥＦＡのいくつかの段はエアダクトに沿って（すなわち、空気の流れの方向に沿って）かなりの長さを必要とするためである。この長いダクトは空気の流れに対してより大きな抵抗を与える。
【００６０】
段が互いに近くに配置されるときにさらに他の問題が生じる。段の間の間隔を低減すると、１つの段のアトラクタ電極と隣接する次の段のコロナ放電電極との間に「バックコロナ」が生成されることがあり、逆の空気の流れが生じる。さらに、近隣の段の間の電気的なキャパシタンスにより、近隣の段の間に寄生電流の流れがある。この電流は、近隣の段の間の非同期の高電圧のリップル、または高電圧のパルスによって引起こされる。
【００６１】
大きいかまたは複数の段を使用して、各別々の（またはグループの）段にそれ自身の高電圧電源（ＨＶＰＳ）が設けられるようにすると別の問題が生じる。この場合、コロナ放電を作るために必要な高電圧が、許容不可能なレベルのスパークを電極間に発生させ得る。スパークが発生すると、ＨＶＰＳは、動作を再開する前にイオン消失およびスパークの消失のために必要な或る時間だけ完全に停止しなければならない。電極の数が増加すると、スパークは電極の１つのセットの場合よりも頻繁に発生する。１つのＨＶＰＳがいくつかの電極のセット（すなわち、いくつかの段）に供給する場合、発生するより多くのスパークを消すためにより頻繁に停止する必要がある。このことはシステム全体に対して電力の中断の望ましくない増加に繋がる。この問題に対処するため、各段にはそれ専用のＨＶＰＳから供給すると有利である。しかしながら、別々のＨＶＰＳを使用すると、近隣の段の電極間の浮遊キャパシタンスによって引起こされる望ましくない電気的な相互作用を回避するためおよびバックコロナの生成を避けるため、連続する段の間隔をより大きくする必要がある。
【００６２】
この発明は、ＥＦＡの段の間隔をより近づけることにより空気の流れを増加させつつ望ましくない影響の導入を最小化するかまたは回避するための新規の解決策を提示する。この発明は、電極の幾何学的形状、互いの場所および電極に印加される電圧の組合せを実現して性能を向上する。
【００６３】
この発明の特徴によると、複数のコロナ電極および集電電極は、互いに平行に位置付けられるか、または空気の流れの方向に垂直なそれぞれの平面の間に延在するように位置付けられる。近隣の段のすべての電極は互いに平行であり、近隣の段の電極はすべて互いに平行であり、同じ種類の電極（すなわち、コロナ放電電極または集電電極）はすべて、同じ種類の電極または電極の縁がある平面に直交する同じ平行な平面に配置される。別の特徴によると、近隣の段の電極間のコロナ放電を回避するかまたは最小化するために段の間隔が狭められる。隣接する電極間の最も近い間隔が「ａ」である場合、第１の電極に印加される電圧Ｖ１と最も近い第２の電極に印加される電圧Ｖ２との間の電位差（Ｖ１−Ｖ２）と電極間の距離との比率は、規格化された距離「ａＮ」であり、ａＮ＝（Ｖ１−Ｖ２）／ａである。１つの段のコロナ放電ワイヤから近隣の段の最も近い部分への正規化された距離は、これら電極間に印加されるコロナ開始電圧を超えなければならず、これは実際には、逆コロナの生成を防止するために、それがコロナ放電から対応する関連の（すなわち、最も近い）吸引電極への正規化された距離の１．２倍から２．０倍以上でなければならないことを意味する。
【００６４】
最後に、近隣の段に印加される電圧は同期されかつ同位相にされるべきである。つまり、近隣の段の電極に印加される電圧のａｃ成分は、同時に上下し、かつ実質的に同じ波形および大きさおよび／または振幅を有するべきである。
【００６５】
この発明は、（典型的には単位長さあたりの段で測定された）ＥＦＡの電極の密度を増加させ、電極間の浮遊電流を排除または大きく減少させる。同時に、この発明は、近隣の段の電極間のコロナ放電（たとえば、バックコロナ）を排除する。これは、部分的には、近隣のＥＦＡの段に実質的に同じ電圧の波形で電力を供給することによって実現され、すなわち、近隣の電極の電位は、段の間の作動電圧を排除または低減するために同じかまたは非常に類似の交流成分を有する。段の間でそのように同期して動作することで、隣接するＥＦＡの構成要素の近隣の電極間の電位差は一定になり、１つの電極から別の電極への結果的な浮遊電流は最小化されるかまたは完全に回避される。同期は異なる手段によっても実現可能であるが、対応する電源からの同期されかつ同位相にされたそれぞれの電圧で、またはそれぞれの印加された電圧の類似の振幅のａｃ成分を提供するように同期された電源で近隣のＥＦＡ構成要素に電力を供給することによるのが最も容易である。これは、近隣のＥＦＡ構成要素に接続された同じ電源で、または印加された電圧の同期かつ同位相にされたａｃ成分を生成する異なる好ましく適合された電源で実現することができる。
【００６６】
この発明は、先行技術の空気の流れの限界および一般的な能力のなさにおける他の欠点にも対処して理論的に最適の性能を実現する。これら欠点の別のものは、商用に好適な大きな流体の流れを生成する能力が限られていることを含む。さらに別の欠点は、高い強度の電界の発生を避けるために（コロナ電極以外に）大きな電極の構造を必要とする点である。物理的な大きな電極を使用すると、流体の流れの抵抗が増加し、ＥＦＡの能力および効率が制限される。
【００６７】
ＥＦＡが最大の能力でまたはその近くで、すなわち、最大の電圧が印加され電力が消費されて動作するときにさらに別の問題が生じる。この場合、印加される動作電圧は、典型的には誘電破壊電圧の近くに維持されるため、スパークおよび／またはアークなどの望ましくない電気的な事象を生じ得る。さらに別の欠点は、意図されない接触が電極の１つに行なわれたときに生じることがあり、大きな電流の流れが人を通る可能性があり、これは
不快でありかつ危険でもある。
【００６８】
典型的にコロナ電極として用いられる細いワイヤを使用すると、さらに別の問題が生じる。そのようなワイヤは、比較的細くなくてはならず（通常は、直径が約０．００４''）、脆く、したがって手入れまたは取扱いが難しい。
【００６９】
より強力な流体の流れが必要であるかまたは望ましいときに（たとえば、より大きな流量）、別の問題が生じる。従来の複数段の配置は、それぞれの電界への互いの干渉を避けるためにコロナ電極は互いから最小の距離になければならないため、比較的低い電極の密度に繋がる（したがって、不十分な最大到達可能な電力に繋がる）。間隔の要件によって体積が増加し、かつ電極の密度が制限される。
【００７０】
この発明の特徴は、加速電極の構成および製造で抵抗の高い材料を使用することにより新規の電極の幾何学的形状および最適化された互いの電極の場所（すなわち、電極間の幾何学的形状）を使用して流体の流れを増加するための新規の解決策を提供する。
【００７１】
この発明の特徴によると、複数のコロナ電極および加速電極は互いに平行に位置付けられ、電極の一部は空気の流れの方向に垂直なそれぞれの平面間に延在する。コロナ電極は、金属または導電性セラミックなどの導電性の材料で作られる。コロナ電極は、細いワイヤ、刃または帯の形であってもよい。コロナ放電はコロナ電極の狭い面積で起こり、これら狭い面積はここでは「イオン化端」と称される。これら端は、一般的には所望の流体の流れの方向に関してコロナ電極の下流側にある。他の電極（たとえば、加速電極）は、流体の流れの主な方向に延在するバーまたは細い帯の形である。一般的に、コロナ電極の数は、加速電極の数に１を加えたものに等しい。つまり、各コロナ電極は１つまたは２つの隣接する加速電極に対向しかつ平行に位置付けられる。
【００７２】
加速電極は高抵抗の経路を提供する高抵抗の材料で作られ、すなわち、電極にわたって大きな電圧の低下を生じることなくコロナ電流を容易に伝える高抵抗率の材料で作られる。たとえば、加速電極は、炭素入りプラスチック、ケイ素、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、セレン化カドミウムなどの比較的高抵抗の材料で作られる。これら材料は、典型的には、１０３から１０９'Ω−ｃｍの範囲の、より好ましくは
、１０５から１０８'Ω−ｃｍの間、より好ましくは１０６から１０７'Ω−ｃｍの範囲の固有の抵抗率ρを有する。）
同時に、電極の幾何学的形状は、スパークまたはアークなどの局所的な事象または外乱が、大きな電流の増加または音を発生することなく終了されるように選択される。
【発明の効果】
【００７３】
この発明は、（典型的には体積当たりの「電極の長さ」で測定された）ＥＦＡの電極の密度を増加させ、電極の物理的な厚みに関連するような電極によって引起こされる空気力学的な流体の抵抗を大きく減少させる。この発明の付加的な利点は、電極に印加される動作電圧が電気的な絶縁破壊の限界にどれだけ近づいても、それにかかわらず実質的にスパークのない動作を提供するという点である。この発明のさらに別の利点は、電極をより丈夫でかつ信頼性のおけるものにする頑強なコロナ電極の形状を提供する点である。電極の設計によって、「故障のない」ＥＦＡを作ることができ、たとえば、意図せずに接触された場合に安全性を脅かす危険を生じないものを作ることができる。
【００７４】
この発明のさらに別の利点は、コロナ放電を提供するために固体材料以外を使用した電極の使用である。たとえば、コロナ放電の放出、より大きな電気処理能力の支援のために導電性の流体を効率的に用いて、流体の速度を増加させることができる。さらに、流体は、コロナ放電のシース（sheath）の近傍で電気化学的なプロセスを変えることができ、た
とえば、（空気の場合）、固体のコロナ材料によって生成されるよりもオゾンの生成が少なくなり、または通過する流体の化学的な変質をもたらす（瞬間的な有害な気体の破壊）。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】高電圧電源（ＨＶＰＳ）の概略的な回路図であり、低い振幅の高周波数の電圧リップルを有する高い振幅のｄｃ電圧も生成する絶縁破壊開始レベルをある程度余裕をもって下回るレベルに電圧出力レベルを急速に低下させるように制御可能な低慣性の出力回路を備える。
【図２】コロナ放電装置などの高電圧装置でのスパーク事象を防止するように構成された別の高電圧電源の概略的な回路図である。
【図３】高電圧装置でのスパーク事象の発生を防止するように構成された別の高電圧電源の概略的な回路図である。
【図４】高電圧装置でのスパーク事象の発生を防止するように構成された高電圧電源の概略的な回路図である。
【図５】スパーク事象を予測しかつ回避するように構成されたＨＶＰＳから電力を受取る静電流体加速器のコロナ放電電極での出力コロナ電流および出力電圧のオシロスコープのトレースである。
【図６】ＨＶ電力を静電装置に供給するように接続されたＨＶＰＳの図である。
【図７Ａ】ｄｃ電圧およびｄｃ＋ａｃ電流を生成する電源の概略図である。
【図７Ｂ】経時的に電圧および電流の振幅を別々に示す電源出力の波形図である。
【図８Ａ】（ｉ）空気の流れを最適化し、（ii）電力消費を低減し、および／または（iii）オゾンの生成を最小化するように不十分な電極間の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８Ｂ】図１に示されるような電源から利益を得、かつそれと協働するように最適化されたコロナ放電装置の概略図である。
【図９】コロナ放電装置に印加される高電圧および結果的なコロナ電流のオシロスコープのトレースである。
【図１０Ａ】隣接するコロナ放電の段に供給する１つの高電圧電源を備えた静電流体加速器（ＥＦＡ）アセンブリの概略図である。
【図１０Ｂ】それぞれの隣接するコロナ放電の段に供給する同期された電源の対を備えたＥＦＡアセンブリの概略図である。
【図１１Ａ】段の間にａｃ差動電圧成分を備えない近隣のＥＰＡの段の電極間の電圧および電流のタイミング図である。
【図１１Ｂ】小さな電圧のリップルが段の間に存在する近隣のＥＦＡの段の電極間の電圧および電流のタイミング図である。
【図１２】出力電圧が同期された高電圧電源サブアセンブリの対を含む電源ユニットの概略図である。
【図１３Ａ】第１の電極配置の幾何学的構成を実現する２段のＥＦＡアセンブリを示す概略的な上面図である。
【図１３Ｂ】第２の電極配置の幾何学的構成を実現する２段のＥＦＡアセンブリを示す概略的な上面図である。
【図１４】電気的に対向する高抵抗加速電極から間隔をあけて配置され、細いワイヤとして形成されるコロナ電極を備えたＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１５】ワイヤとして形成されるコロナ電極と、高抵抗バーとして形成される加速電極とを備え、後者が外側のシェル内に全体が封入された導電性部分を備えるＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１６】ワイヤとして形成されるコロナ電極と、高抵抗バーとして形成される加速電極とを備え、加速電極の幅に沿って変動するかまたは段階的な導電性を有する隣接したセグメントを備えたＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１７】電気的に対向する高抵抗加速電極間に位置する薄い細片の形をしたコロナ電極を備えたＥＦＡアセンブリを示す概略図である。
【図１８Ａ】流体内と、対応する加速電極の本体内とにおけるコロナ電流分配を示す図である。
【図１８Ｂ】スパークまたはアーク事象の結果として生じる電流の経路を示す図である。
【図１９】櫛状の加速電極を示す概略図である。
【図２０】導電性流体で満たされ、高抵抗加速電極の間に挿入される中空で滴状のコロナ電極を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
好ましい実施例の説明
図１は、静電流体加速器などの高電圧装置でスパーク事象の発生を防止するように構成された高電圧電源（ＨＶＰＳ）１００の概略的な回路図である。ＨＶＰＳ１００は、一次巻線１０７および二次巻線１０８を備えた高電圧昇圧変圧器１０６を含む。一次巻線１０７はハーフブリッジインバータ（電力トランジスタ１０４、１１３およびキャパシタ１０５、１１４）を介してＤＣ電圧源１０１により提供されるａｃ電圧に接続される。ゲート信号コントローラ１１１は、トランジスタ１０４、１１３のゲートで制御パルスを生成し、その周波数は、ＲＣタイミング回路を形成する抵抗器１１０およびキャパシタ１１６の値によって決定される。二次巻線１０８は、全波ブリッジ整流回路として構成された４つの高電圧（ＨＶ）高周波ダイオードを含む電圧整流器１０９に接続される。ＨＶＰＳ１００は、ＨＶ装置または電極（たとえば、コロナ放電装置）に接続される端子１２０とグラウンドとの間で高電圧を生成する。ＨＶ装置に印加される電圧、たとえば、コロナ放電電極のアレイにわたって印加される電圧のＡＣ成分は、高電圧キャパシタ１１９によって検知され、検知された電圧は、ツェナーダイオード１２２によって制限される。出力電圧がスパークに先行する特徴的な電圧の変動を示すと、変動の特徴的なＡＣ成分は抵抗器１２１にわたる比較的大きな信号レベルに繋がり、トランジスタ１１５をオンする。トランジスタ１１５は、信号コントローラ１１１のピン３を接地し、電力トランジスタ１０４および１１３のゲートにわたる電圧を中断する。トランジスタ１０４および１１３が非導電性にされると、一次巻線１０７にわたってほぼ瞬間的に電圧が中断され、強く結合された二次巻線１０８に伝えられる。同様の急速な電圧の降下がスパーク開始レベルを下回ってコロナ放電装置に生じるため、切迫したアークまたは絶縁破壊が回避される。
【００７７】
スパーク防止技術は２つのステップまたは段階を含む。第１に、コロナ放電装置の浮遊キャパシタンスに蓄えられたエネルギはコロナ電流を通じて放電されコロナ開始電圧へと下げられる。この電圧は常にスパーク開始電圧を十分に下回る。この放電が約０．１ｍｓｓｅｃ（すなわち、１００ｍｋｓｅｃ未満）より短い時間で起こる場合、電圧の降下は効率的にスパーク事象の発生を防止する。より高いスパーク開始電圧レベルからコロナ開始レベルへの電圧の降下は、約５０ｍｋｓｅｃで実現されることが好ましいことが実験的にわかっている。
【００７８】
電源電圧がコロナ開始レベルに達し、かつコロナ電流が停止した後、放電プロセスはより低速になり、電圧は数ミリ秒の間でゼロに降下する。電源１００は、抵抗器１２１およびトランジスタ１１５のゲート−ソースの自己キャパシタンスによって規定された同じ所定の時間後に電圧の生成を再開する。所定の時間は、通常は数ミリ秒のオーダーであり、イオン消失プロセスおよび通常の動作の回復に十分であることがわかっている。一次電力を変圧器１０６に再び印加することに応答して、コロナ放電装置に提供される電圧は、ほぼコロナ開始レベルから通常の動作レベルへと数マイクロ秒で上昇する。そのような配置を用いると、さもなければ同じコロナ放電配置および構成に頻繁なスパークを生じさせる値を出力電圧が超えたときでもスパーク事象は起こらない。電源１００は、利用可能な電
気的な構成要素を使用して構築することができ、特別な構成要素は必要とされない。
【００７９】
図２は、リード接点２２２および付加的な負荷２２３を備えた代替の電源２００の概略的な回路図である。電源２００は、一次巻線２１０および二次巻線２１１を備えた高電圧の２つの巻線のインダクタ２０９を含む。一次巻線２１０は、電力トランジスタ２０８を介してグラウンドに接続され、かつ端子２０１に設けられたｄｃ電源に接続される。ＰＷＭコントローラ２０５（たとえば、ＵＣ３８４３電流モードＰＷＭコントローラ）は、トランジスタ２０８のゲートで制御パルスを生成し、その動作周波数は、抵抗器２０２およびキャパシタ２０４を含むＲＣ回路によって決定される。典型的な周波数は１００ｋＨｚ以上である。二次巻線２１１は、ＨＶキャパシタ２１５および２１８、ならびに高周波数ＨＶダイオード２１６および２１７を含む倍電圧回路に接続される。電源２００は、ＨＶ装置または電極（すなわち、負荷）に接続される出力端子２１９および２２０の間で１０ｋＶから２５ｋＶの間のＨＶｄｃ電力を生成し、典型的には１８ｋＶを生成する。制御トランジスタ２０３は、分路抵抗２１２を通る電流が予め設定されたレベルを超えたときにオンし、電流がリード接点２２２を含むリードタイプのリレーの制御コイル２２１を通って流れるようにする。電流がコイル２２１を通って流れるとき、リード接点２２２は閉じ、ＨＶ出力をＨＶダンピング抵抗２２３へと向け、出力に負荷をかけて、抵抗器２０７およびキャパシタ２０６によって決定された時間で出力電圧のレベルを低下させる。さまざまなＥＦＡ構成要素および／または装置と組合せてこのスパーク管理回路を使用すると、通常動作中のすべてのスパークを実質的に排除することができる。リードリレー２０３／２２２は、台湾のGe-Ding Information Inc.のＺＰ−３であってもよい。
【００８０】
図３は、図２に示されるものと類似の別のＨＶＰＳ配置の概略的な回路図である。しかしながら、この場合、ＨＶＰＳ３００は、リード接点３２２、およびＨＶＰＳの出力端子に直接的に接続された付加的な負荷３２３を含む。ＨＶＰＳ３００は、一次巻線３１０および二次巻線３１１を備えた高電圧変圧器３０９を含む。一次巻線３１０は、電力トランジスタ３０８を介してグラウンドに接続され、かつ電力入力端子３０１に接続されたＤＣ源に接続される。ＰＷＭコントローラ３０５（たとえば、ＵＣ３８４３）は、トランジスタ３０８のゲートで制御パルスを生成する。これら制御パルスの動作周波数は、抵抗器３０２およびキャパシタ３０４によって決定される。二次巻線３１１は、ＨＶキャパシタ３１５および３１８、ならびに高周波数ＨＶダイオード３１６および３１７を含む倍電圧回路に接続される。ＨＶＰＳ３００は、ＨＶ装置または電極（負荷）に接続される出力端子３１９および３２０でほぼ１８ｋＶの高電圧出力を生成する。スパーク制御トランジスタ３０３は、分路抵抗器３１２を通る電流が予め設定された所定のレベルを超えたときにオンし、電流が制御コイル３２１を通って流れるようにする。電流がコイル３２１を通って流れるとき、リード接点３２２は閉じて、ＨＶＰＳのＨＶ出力をＨＶダンピング抵抗器３２３に向け、これにより、抵抗器３０７およびキャパシタ３０６によって決定された時間だけ出力電圧のレベルを低減する。この初期のスパーク検出および緩和の配置を使用すると、長い動作時間にわたって実質的にスパークが生成されない。
【００８１】
図４は、図２に示されるものと類似の電源の構成を示し、ＨＶＰＳ４００は、通常開いている接点４２２およびコイル４２１含むリレー、ならびに電力ダンピング負荷４２３をさらに含む。ＨＶＰＳ４００は、一次巻線４１０および二次巻線４１１を備えた電力変圧器４０９を含む。一次巻線４１０は電力トランジスタ４０８を介してグラウンドに接続され、かつ端子４０１でｄｃ電源に接続される。ＰＷＭコントローラ４０５（たとえば、ＵＣ３８４３）は、トランジスタ４０８のゲートで制御パルスの列を生成する。これらパルスの動作周波数は、抵抗器４０２およびキャパシタ４０４によって設定される。二次巻線４１１は、ＨＶキャパシタ４１５および４１８、ならびに高周波数ＨＶダイオード４１６および４１７を含む倍電圧回路に高電圧（たとえば、９ｋＶ）を供給するように接続される。電源４００は、ＨＶ装置またはコロナ電極（負荷）に接続される端子４１９および４
２０で高電圧出力を生成する。制御トランジスタ４０３は、分路抵抗器４１２を通る電流が差し迫ったスパーク事象に特徴的となるように予め設定された所定のレベルを超えたときに、電流がコイル４２１を通って流れるようにする。コイル４２１を通って電流が流れると、リレーの接点４２２は閉じ、ダンピング抵抗器４２３を介して一次巻線４１０をショートさせる。ダンピング抵抗器４２３によって設けられた付加的な負荷は、抵抗器４０７およびキャパシタ４０６によって決定された時間で出力電圧レベルを急速に低下させる。
【００８２】
図５は、コロナ電流５０１および出力電圧５０２での電源出力の２つのトレースを含むオシロスコープのディスプレイである。示されるように、コロナ電流は、約０．１から１．０ｍｓｅｃの時間内の初期のスパークを示す特徴的な細いスパイク５０３を有し、ここでは電流スパイクの約２．２ｍｓｅｃ後に示される。コロナ放電装置または類似のＨＶ装置での電流スパイク５０３の検出は、制御回路を作動させ、ＨＶＰＳをオフし、かつ好ましくは電極の電位を絶縁破壊安全性レベルかまたはその下方に低下させるために必要な蓄えられたエネルギを減衰する。たとえば、高周波数パルス発生器（たとえば、ＰＷＭコントローラ２０５）の動作を抑制することによりＨＶＰＳへの一次電力を中断することに加え、ＨＶ装置に印加される電圧をスパーク開始または絶縁破壊電位を下回るレベルに急速に低下させるために他のステップを行なってもよい。これらステップおよび支援回路は、蓄えられた電荷を、抵抗器、キャパシタ、インダクタまたはそれらの組合せなどの適切な「シンク（sink）」に「ダンピングする」ステップを含んでもよい。シンクは、ＨＶＰＳの物理的な境界内にあってもよいし、および／または電力を供給されている装置、すなわち、ＨＶ装置または負荷にあってもよい。負荷にある場合、シンクは負荷内に蓄えられた電荷をより素早く受取ることができ、ＨＶＰＳにあるシンクは、ＨＶＰＳの出力の電圧レベルを低下させるように方向付けられ得る。シンクは、たとえば、ＨＶ抵抗器を使用して、電力を消散させて負荷に供給されるかまたは負荷の電圧レベルを低下させることができることに注意されたい。またはこれに代えて、エネルギを蓄えておいて、スパーク事象が対処された後に再び印加して、装置を通常動作に素早く戻すようにしてもよい。さらに、すべての場合に電圧をゼロの電位レベルに下げる必要はなく、スパーク事象を回避するために知られているかまたは予測されたある値まで電圧レベルを低減すれば十分であり得る。一実施例によると、ＨＶＰＳは、特定のスパーク前のインジケータ（たとえば、電流のスパイクの強度、波形、持続時間等）の特性をスパーク事象の可能性を回避するかまたは予め設定されたレベルに最小化するための適切な応答と関連付けるための処理および記憶の能力を含む。たとえば、ＨＶＰＳは、電流のスパイクの下での絶対的な振幅または面積
【００８３】
【数４】
【００８４】
に応答して、所望の量のスパーク事象の制御を提供するように事前に決定された数の負荷を選択的に挿入するようにしてもよく、たとえば、スパーク事象を回避し、スパーク事象の強度を遅延または低減させ、所望の数または量のスパーク事象を提供する等してもよい。
【００８５】
再び図５を参照すると、ＨＶＰＳの出力が完全に中断され、コロナ放電装置に電流が流れない場合、コロナ放電装置の電圧は、図５に示されかつ上述のように急激に降下する。短い時間の後、ＨＶ装置に印加される電圧レベルを低減するために何の措置もとられなかった場合に実際のスパーク事象が起こったであろう瞬間を示す電流スパイク５０４が観測され得る。幸い、出力電圧はスパークレベルを十分に下回るため、スパークまたはアークは生成されない。その代わりに、中位の電流のスパイクのみが見られ、これは外乱または
望ましくない電気的なアーク音を生成させないようにするために十分小さいものである。電流スパイク５０４の検出の２〜１０ｍｓｅｃのオーダーの時間の後、または電流スパイク５０３の１〜９ｍｓｅｃ後、ＨＶＰＳはオンし、通常動作を再開する。
【００８６】
図６は、静電装置６０２、たとえば、コロナ放電流体加速器にＨＶ電力を供給するように接続されるこの発明によるＨＶＰＳ６０１の図である。静電装置６０２は、共通の接続６０４によりＨＶＰＳ６０１に接続される複数のコロナ放電電極６０３を含んでもよい。アトラクタ電極またはコレクタ電極６０５は、接続６０６によりＨＶＰＳ６０１の相補的なＨＶ出力に接続される。ＨＶ電位がコロナ放電電極６０３に印加されると、それぞれのコロナ放電の電子の雲が電極の近傍に形成され、コロナ放電電極と反対に帯電したアトラクタ電極またはコレクタ電極６０５との間の絶縁体として作用する介在する流体（たとえば、空気）の分子を帯電させる。イオン化された流体の分子は、コレクタ／アトラクタ電極６０５の対向する電荷に向かって加速され、所望の流体の動きが生じる。しかしながら、さまざまな環境的および他の外乱のため、流体の絶縁特性が異なり得る。この変動は、コロナ放電電極およびアトラクタの電極６０３、６０５のセットの間で電気的なアークが発生し得る点まで絶縁破壊電圧を低下させるのに十分であり得る。たとえば、埃、湿気、および／または流体の密度の変化は、絶縁破壊レベルを、装置に印加されている動作電圧を下回る点に下げることがある。スパーク前の標識事象（たとえば、電流スパイクまたはパルス等）に対して電力信号の電気的な特性を監視することにより、スパークを回避することが望ましい状況において動作電圧を低下させるなどの事象を管理するための適切なステップが実現される。
【００８７】
上述の発明は、スパーク事象の数および／または強度を排除するかまたは低減することに向けられるが、他の実施例は、他のスパーク管理の設備、能力および機能性を提供し得る。たとえば、この発明の実施例による方法は、電圧レベルを急速に変化させることにより（たとえば、ＰＷＭコントローラの動作周期を変化させることにより）、スパーク放電をより均一化し、所望のスパーク強度および／または量を提供するため、または他の何らかの目的のためにスパーク事象を管理することができる。したがって、この発明の実施例の付加的な適用例および実現例は、所望の結果を得るためのスパーク前の検出および特定のレベルへの急速な電圧の変化を含む。
【００８８】
この発明のこれらの特徴および他の特徴によると、３つの特徴によりスパーク事象の効率的な管理が実現される。第１に、電源は無慣性であるべきである。これは、電流供給はスパーク前の指標とスパーク事象の発生との間の時間よりも短い時間で出力電圧を急速に変化させることができなければならないことを意味する。この時間は、通常は、１ミリ秒以下である。第２に、効率的かつ急速なスパーク前の検出の方法が電源停止回路に組込まれるべきである。第３に、負荷装置、たとえば、コロナ放電装置は、スパーク前の標識と実際のスパーク事象との間の時間よりも短い時間で放電され得る低い自己静電容量を有するべきである。
【００８９】
図７Ａは、この発明の実施例によ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）７０５は、変動する振幅Ｖａｃ＋ｄｃの電源電圧７０１（図７Ｂ）を生成する。電圧７０１は、Ｖｄｃの平均的なｄｃ電圧に、距離７０３によって表わされる瞬間値を有する振幅Ｖａｃのａｃまたは交流成分（すなわち、電圧の交流成分）を重畳する。電圧７０１の典型的な平均のｄｃ成分（Ｖｄｃ）は、１０ｋＶから２５ｋＶの範囲にあり、より好ましくは１８ｋＶに等しい。リップルの周波数「ｆ」は典型的には１００ｋＨｚ前後である。低周波の高調波、たとえば、１２０Ｈｚを含む６０Ｈｚの商用電力線の周波数の倍数などが電圧の波形に存在し得ることに注意されたい。以下の計算は、最も有意な高調波、つまり最も高い高調波、この場合は１００ｋＨｚのみを考える。リップルのピークからピークへの振幅７０３（Ｖａｃは電圧７０１のａｃ成
分である）は、ピークからピークで０ボルトから２０００ボルトの範囲にあり得、より好ましくは、９００Ｖ未満またはそれに等しく、ＲＭＳの値はほぼ６４０Ｖである。電圧７０１は、電極の対（すなわち、コロナ放電電極およびアトラクタ電極）に印加される。抵抗器７０６は、ＨＶＰＳ７０５の内部抵抗およびＨＶＰＳ７０５を電極に接続するワイヤの抵抗を示し、この抵抗は典型的には比較的小さな値を有する。キャパシタ７０７は２つの電極間の寄生キャパシタンスを示す。なお、キャパシタ７０７の値は一定ではないが、約１０ｐＦのレベルにあると大まかには推定される。
【００９０】
抵抗器７０８は、コロナ放電電極およびアトラクタの電極の間の空隙に特徴的な非リアクタンス性のｄｃオーム負荷抵抗Ｒを示す。この抵抗Ｒは、印加される電圧に応じて異なり、典型的には１０メガオームの値を有する。
【００９１】
ＨＶＰＳ７０５からのｄｃ成分は抵抗器７０８を通って流れ、ａｃ成分は、抵抗器７０８よりも１００ｋＨｚの動作範囲で実質的に低いインピーダンスを示すキャパシタンス７０７を通って主に流れる。特に、キャパシタ７０７のインピーダンスＸｃはリップルの周波数の関数である。この場合、これは、
Ｘc＝１/(２πｆＣ)＝１/(２*３.１４*１００,０００*１０*１０-12)＝１６０ｋΩにほぼ等しい。
【００９２】
キャパシタンス７０７を通って流れる電流のａｃ成分Ｉａ.ｃ.は、
Ｉａ.ｃ.＝Ｖａ.ｃ./Ｘc＝６４０/１６０,０００＝０.００４Ａ＝４ｍＡ
に等しい。
【００９３】
抵抗器７０８を通って流れる電流のｄｃ成分Ｉdcは、
Ｉdc＝Ｖdc/Ｒ＝１８ｋＶ/１０ＭΩ＝１.８ｍＡ
に等しい。
【００９４】
したがって、電極間の結果的な電流のａｃ成分Ｉacは、結果的な電流のｄｃ成分よりも約２．２倍大きい。
【００９５】
装置７００の動作は図７Ｂのタイミング図を参照して説明することもできる。イオン化電流が何らかの最大の振幅（Ｉｍａｘ）に達すると、イオンがコロナ放電電極から放出され、周囲の分子および流体の粒子（すなわち、空気の分子）を帯電させる。このとき、最大の電力が生成され、最大のオゾンの生成（空気または酸素における）が行なわれる。電流がＩｍｉｎに減少すると、生成される電力は少なくなり、実質的に全くオゾンは生成されない。
【００９６】
同時に、帯電した分子および粒子は最大の電流の状態と同じ力で対向する電極（アトラクタ電極）に向かって加速される（電圧は実質的に一定であるため）。したがって、流体の加速率は実質的に影響されず、オゾンの生成が低減されるのと同じ程度には影響されない。
【００９７】
周囲の流体の加速は、コロナ放電電極からアトラクタ電極へのイオンのモーメントから生じる。これは、電圧７０１の影響下で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囲に「イオンの雲」を作るからである。このイオンの雲は電界の強さに応答して対向するアトラクタ電極に向かって移動し、その強度は印加される電圧７０１の値に比例する。電源７０５によって供給される電力は、ほぼ出力電流７０２に比例する（電圧７０１が実質的に一定に維持されると仮定する場合）。したがって、脈動する性質の電流７０２により、同じ振幅の純粋なｄｃ成分よりもエネルギの消費が少なくなる。電流のａｃ成分およびｄｃ成分の間のそのような電流の波形および関係は、低い内部抵抗７０６およ
び出力電圧の小さい振幅の交流成分７０３を有することによって確保される。最も効率的な静電流体加速は、電流７０２の交流成分の相対的な振幅（すなわち、Ｉａｃ／Ｉｄｃ）が電圧７０１の交流成分の相対的な振幅（すなわち、Ｖａｃ／Ｖｄｃ）よりも大きいときに得られることが実験的にわかっている。さらに、これら比率が離れると、付加的な改善が実現される。したがって、Ｖａｃ／ＶｄｃがＩａｃ／Ｉｄｃを大きく下回る（すなわち、半分を越えない）、好ましくは、Ｉａｃ／Ｉｄｃの１／１０、１／１００を越えないか、またはより好ましくは１／１０００である場合、（ここで、ＶａｃおよびＩａｃは、同じように測定され、たとえば、ともにＲＭＳ、ピークからピークまたは類似の値である）、さらに効率的な流体の加速が実現される。数学的に異なった表現をすると、コロナ電流の一定成分と印加される電圧の時間的に変動する成分との積をコロナ電流の時間的に変動する成分と印加された電圧の一定成分との積で除したものは、最小化されるべきであり、各別々のステップは当初のステップに対する大きさで大きな改善を提供する。
【００９８】
図８Ａは、上述の式を満たさないコロナ放電装置を示す。これは針の形のコロナ放電電極８００を含み、その鋭い幾何学的形状は針の尖った端部の近傍でコロナ放電を生成するのに必要な電界を提供する。対向するコレクタ電極８０１はずっと大きく、滑らかなバーの形である。高電圧の電源８０２は、高電圧供給ワイヤ８０３および８０４を通じて電極の両方に接続される。しかしながら、コレクタ電極８０１の中央の軸に垂直な放電電極８００の相対的な配向のため、この配置は電極８００および８０１の間に有意なキャパシタンスを生成しない。一般的に、キャパシタンスは電極間に面する有効面積に直接的に比例する。この面積は図８Ａに示される装置では非常に小さいが、これは電極の１つが最小限の断面積を有する針先の形であるためである。したがって、電極８００から電極８０１に流れる電流は有意のａｃ成分を有さない。図８Ａに示されるものに類似のコロナ放電装置の配置は非常に低い空気加速能力および比較的大きな量のオゾンの生成を示す。
【００９９】
図８Ｂは代替のコロナ放電装置を示す。複数のコロナ放電電極は長く細いコロナ放電ワイヤ８０５の形であり、対向するコレクタ電極８０６はコロナワイヤ８０５に平行なより厚みのあるバーの形である。高電圧電源８０７は、それぞれの高電圧供給ワイヤ８０９および８１０によって、コロナ放電ワイヤ８０５およびコレクタ電極８０６に接続される。この配置によって電極間の面積はずっと大きくなり、したがって、その間のキャパシタンスがずっと大きくなる。コロナワイヤ８０５からコレクタ電極８０６に流れる電流は、有意のａｃ成分を有し、高電圧電源８０７は十分な電流供給能力を有することができる。図８Ｂに示されるもののようなコロナ放電装置の配置により、実質的に高周波数の電流リップルであるが小さな電圧リップル（すなわち交流成分）で高電圧電源によって電源を供給されるときに、空気加速能力は大きくなり、比較的イオンの生成は小さくなる。
【０１００】
図１を再び参照すると、高電圧電源回路１００は、小さな高周波数リップルを有する高電圧を生成することができるように構成してもよい。上述のように、電源１００は、一次巻線１０７および二次巻線１０８を備える高電圧の二重の巻線の変圧器１０６を含む。一次巻線１０７は、ハーフブリッジインバータ（電力トランジスタ１０４、１１３およびキャパシタ１０５、１１４）を通じてｄｃ電圧源１０１に接続される。ゲート信号コントローラ１１１は、抵抗器１０３および１１７を通じてトランジスタ１０４、１１３のゲートで制御パルスを生成する。これらパルスの動作周波数は、抵抗器１１０およびキャパシタ１１６に対して選択された値によって決定される。変圧器１０６の二次巻線１０８は、４つの高電圧高周波数の電力ダイオードを含むブリッジ電圧整流器１０９に接続される。電源１００は、端子１２０とコロナ放電装置の電極に接続されるグラウンドとの間で高電圧出力を生成する。
【０１０１】
図９は、生成されかつ電極のアレイを通って流れる結果的な電流９０２とともに、コロナ放電装置での出力電流および電圧の波形、高電圧９０１のオシロスコープのトレースを
示す。電圧９０１は約１５，３００Ｖの比較的一定の振幅を有し、交流成分はほとんどまたは全くないことがわかる。一方、電流９０２は、電流の平均値（１．１８９ｍＡ）をはるかに超えた、２ｍＡを超える比較的大きな交流電流の成分（リップル）を有する。
【０１０２】
上述の特徴に加え、この発明は、低慣性の電源が、電流供給に高リアクタンスの負荷を与えるコロナ放電素子のアレイと組合される実施例をさらに含む。つまり、アレイの容量負荷は、電源の出力でのリアクタンス性の成分を大きく上回る。この関係により、一定の低いリップルの電圧および高いリップルの電流が得られる。この結果はオゾンの生成が低減された効率の高い静電流体加速器にある。
【０１０３】
図１０Ａは、２つのＥＦＡの段１０１４および１０１５を含むこの発明の別の実施例による静電流体加速器（ＥＦＡ）装置１０００の概略図である。第１のＥＦＡの段１０１４は、コロナ放電電極１０６および関連する加速電極１０１２を含み、第２のＥＦＡの段１０１５は、コロナ放電電極１０１３および関連する加速電極１０１１を含む。ＥＦＡの段およびすべての電極は共に概略的に示されている。説明しやすくするため、段あたりコロナ放電および集電の電極の１つのセットのみが示されているが、各段はコロナ電極および加速の電極の多くのアレイの対を含み得ることが予想される。ＥＦＡ１０００の重要な特徴は、コロナ放電電極１００６とコレクタ電極１０１２との間の距離ｄ1は、コレクタ電
極１０１２と後続の段１０１５のコロナ放電電極１０１３との間の距離ｄ2に匹敵する点
、すなわち、隣接する段の素子間の最も近い距離は同じ段内の電極間の距離よりさほど大きくない点である。典型的には、コレクタ電極１０１２と隣接する段のコロナ放電電極１０１３との段の間の距離ｄ2は、同じ段内のコロナ放電電極１００６とコレクタ電極１０
１２との間の段内の間隔の距離ｄ1（または、コロナ放電電極１０１３とコレクタ電極１
０１１との間隔）の１．２倍から２．０倍の間であるべきである。この一貫した間隔のため、電極１００６と１０１２、および１００６と１０１３との間のキャパシタンスは同じオーダーである。この配置では、コロナ放電電極１００６と１０１３との間のキャパシタンス結合により、電極間に何らかの寄生電流が流れることができる。この寄生電流は電極の対１００６および１０１２の間の容量性電流と同じオーダーの振幅である。電極１０１３と１０６との間の不必要な電流を低減するために、各々には同期された高電圧の波形が供給されるべきである。図１０Ａに示される実施例では、両方のＥＦＡの段は、共通の電源１００５によって、すなわち、並列に両方の段に電力を供給する１つの電圧変換回路（たとえば、電力変圧器、整流器およびフィルタリング回路等）を有する電源により電力を供給される。このことにより、電極１００６と１０１３との間の電圧差は電極１００６および１０１１に対して一定に保たれるため、電極１００６と１０１３との間には全く電流が流れないか、または非常に小さい電流のみが流れる。
【０１０４】
図１０Ｂは、それぞれ別々の電流供給１００２および１００３によって電力を供給されるＥＦＡの段１０１６および１０１７の対を含むＥＦＡ１００１の代替の構成である。第１のＥＦＡの段１０１６は、段１０１６内に相補的な電極の対を形成するコロナ放電電極１００７および集電電極１００８を含む。第２のＥＦＡの段１０１７は、相補的な電極の第２の対を形成するコロナ放電電極１００９および集電電極１０１０を含む。ＥＦＡの段１０１６、１０１７およびすべての電極１００７〜１０１０は共に概略的に示されている。
【０１０５】
第１のＥＦＡの段１０１６は電源１００２によって電力を供給され、第２のＥＦＡの段１０１７は電源１００３によって電力を供給される。両方のＥＦＡの段および両方の電源１００２ならびに１００３は、同期を簡略化するために同じ設計であってもよいが、代替の配置を収容するのに適切なように異なる設計を使用してもよい。電源１００２および１００３は、同期された電力出力を提供するように制御回路１００４によって同期される。制御回路は、両方の電源１００２および１００３が実質的に等しい同期されかつ同位相に
された出力電圧を生成して、電極１００７および１００９の間の電位差が実質的に一定に保たれるようにする（たとえば、ａｃ電圧成分を有さないかまたは非常に小さなａｃ電圧成分を有するようにする）。（注意：「同期された」という言葉は、一般的には信号間の周波数および位相の両方の一致を含み、位相の調整の要件は、「同位相にされた」という言葉の使用によってさらに強調され、たとえば、各段に印加されかつ各段に存在するように、関連の場所で信号が互いに同位相であることを必要とする）。この電位差を一定に保つことによって（すなわち、ａｃ電圧成分を最小化するかまたは排除することによって）、電極１００７と１００９との間の容量性電流の流れが、たとえば、典型的には１ｍＡ未満、好ましくは１００μＡ未満の許容値に制限されるかまたは排除される。
【０１０６】
隣接するＥＰＡの段の電極間の寄生的な電流の低減は、図１１Ａおよび図１１Ｂに示される波形を参照して理解することができる。図１１Ａに見られるように、電極１００７（図１０Ｂ）に存在する電圧Ｖ１および電極１００９に存在する電圧Ｖ２は同期されかつ同位相にされるが、必ずしもｄｃ振幅は等しくない。完全な同期のため、電極１００７および１００９に存在する電圧間の差Ｖ１−Ｖ２はほぼ一定であり、信号間のｄｃオフセット値のみを表わす（すなわち、ａｃ成分はない）。電極１００７および電極１００９の間を結合する容量を通って流れる電流Ｉｃは、このキャパシタンスの電圧の変化時間速度（ｄＶ／ｄｔ）に比例する。
【０１０７】
Ｉc＝Ｃ*［ｄ（Ｖ１−Ｖ２）/ｄｔ］
この関係から、任意のキャパシタンスの電圧が一定に保たれる場合（すなわち、ａｃ成分を有さない）、経路には電流が流れないことが直接的にわかる。一方、小さな電圧の変化であっても、電圧の変化が素早い場合、大きな容量性電流の流れが作られ得る（すなわち、大きなｄ（Ｖ１−Ｖ２）／ｄｔ）。近隣のＥＦＡの段の異なる電極から過度の電流が流れるのを防ぐため、これら近隣の段の電極に印加される電圧は同期されかつ同位相にされるべきである。たとえば、図１１Ｂを参照すると、コロナ電圧Ｖ１およびＶ２はわずかに同期しておらず、差、ｄ（Ｖ１−Ｖ２）／ｄｔの小さなａｃ電圧成分が生じている。この小さなａｃ電圧成分は、隣接するＥＦＡの段の間を流れる有意の寄生電流Ｉｃにつながる。この発明の実施例は、段の間に電流が流れるのを回避するためにすべての段に印加される電力の同期を含む。
【０１０８】
隣接するＥＦＡの段の電極の最も近い間隔は次のように概算することができる。典型的なＥＦＡは狭い電圧範囲で効率的に動作することに注意されたい。同じ段のコロナ放電電極と集電電極との間に印加される電圧Ｖcは、適切な動作のため、いわゆるコロナ開始電
圧Ｖonsetを超えなければならない。つまり、電圧ＶcがＶonset未満のとき、コロナ放電
は起こらず、空気の運動は生成されない。同時に、Ｖcはアークを回避するために絶縁破
壊電圧Ｖbを超えてはならない。電極の幾何学的形状および他の条件に応じて、ＶbはＶonsetの２倍より大きくてもよい。典型的な電極の構成では、Ｖb／Ｖonsetの比率は、約１
．４から１．８であり、任意の特定のコロナ放電電極が、「バックコロナ」を生成し得る近隣の集電電極からの距離に位置付けられないようにされる。したがって、近隣の段の最も近い電極間の規格化された距離ａＮｎは、同じ段のコロナ放電電極と集電電極との間の正規化された距離「ａＮｃ」より少なくとも１．２倍大きくなくてはならず、好ましくは距離「ａＮｃ」の２倍以下であることが好ましい。つまり、近隣の段の電極は、電極間の電圧差が近隣の段の任意の電極間のコロナ開始電圧未満であるように間隔をあけなくてはならない。
【０１０９】
上述の条件が満たされない場合、必然的な結果として、近隣の段はそうでない場合よりも互いにより大きく間隔をあけられなければならない。段の間の間隔がそのように増加されると、いくつかの条件が空気の運動に悪影響を及ぼす。たとえば、近隣の段の間の間隔が増加するとダクトが長くなり、結果的に、空気の流れに対する抵抗が大きくなる。ＥＦ
Ａの全体的なサイズおよび重量も増加する。同期されかつ同位相にされたＨＶＰＳを用いると、効率を低減することなく、またはスパークの生成を増加させることなくＨＦＡの段の間の間隔を低減することを可能にすることにより、これら負の局面が回避される。
【０１１０】
図１２を参照すると、２段のＥＦＡ１２００は、それぞれの第１および第２の段１２１２および１２１３と関連するＨＶＰＳ１２０１および１２０２の対を含む。両方の段は実質的に同一であり、同一のＨＶＰＳ１２０１および１２０２によって電力を供給される。ＨＶＰＳ１２０１および１２０２は、それぞれのパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ１２０４および１２０５、電力トランジスタ１２０６および１２０７、高電圧インダクタ１２０８および１２０９（すなわち、フィルタリングチョーク）、ならびに倍電圧器１２０１および１２０２を含む。ＨＶＰＳ１２２０および１２２１は段１２１２および１２１３のそれぞれのＥＦＡのコロナ放電電極に電力を供給する。前と同じく、段１２１２および１２１３のＥＦＡの電極は、１つのコロナ放電電極および１つの加速（アトラクタ）電極の１つの対として概略的に示されるが、各段は典型的には二次元のアレイとして構成された複数の電極の対を含む。ＰＷＭコントローラ１２０４、１２０５は、それぞれの電力トランジスタ１２０６および１２０７のゲートに高周波数パルスを生成する（およびピン７で供給する）。これらパルスの周波数は、抵抗器１２１６およびキャパシタ１２１７ならびに抵抗器１２１８およびキャパシタ１２１９を含むそれぞれのＲＣタイミング回路によって決定される。通常、段の間のこれら構成要素の値のわずかな差は、２つのＨＶＰＳの段のわずかに異なる動作周波数につながる。しかしながら、周波数のわずかな変動でもＥＦＡ１２００の段１２１２および１２１３の非同期の動作につながる。したがって、電源１２０１および１２０２の同期されかつ同位相にされた（すなわち、ゼロの位相の移動または差）の動作を保証するため、コントローラ１２０５は、抵抗器１２１５およびキャパシタ１２１４を含む同期入力回路を介してＰＷＭコントローラ１２０４のピン１から同期信号パルスを受取るように接続される。この配置は、ＰＷＭコントローラ１２０５をＰＷＭコントローラ１２０４に同期させて、両方のＰＷＭコントローラの出力電圧パルスがともに同期され（同じ周波数）かつ同位相にされる（同じ位相）ようにする。
【０１１１】
図１３Ａおよび図１３Ｂは２段のＥＦＡ装置の２つの異なる構成を示す断面図である。２つの段しか図示されないが、詳細な原理および構造は等しい。図１３Ａを参照すると、第１のＥＦＡ装置１３１１は、シリアルまたはタンデムな段１３１４および１３１５からなる。第１の段１３１４は、第１の垂直な列に整列した複数の平行なコロナ放電電極１３０１と、コロナ放電電極１３０１の列に平行な第２の列に整列した集電電極１３０２とを含む。すべての電極は、図面の頁の内外へ長手方向に延在する断面で示される。コロナ放電電極１３０１は、他の構成も可能であるが、図示のとおり導電性ワイヤの形態であり得る。集電電極１３０２は水平方向に細長い導電性バーとして示される。また、これは例示を目的としており、他の幾何学的形態および構成がこの発明のさまざまな実施例と合致して実現され得る。第２の段１３１５は、（同様に図面の頁に対して垂直に延在する細い導電性ワイヤとして示される）整列したコロナ放電電極１３０３と、（バーとして示される）集電電極１３０４との列を含む。すべての電極はエアダクト１３０５内に装着される。ＥＦＡ１３１１の第１の段１３１４および第２の段１３１５は、それぞれ別個のＨＶＰＳ（図示せず）によって電力が供給される。ＨＶＰＳは同期されかつ同位相にされているので、第２の段１３１５のコロナ放電電極１３０３は、ＥＰＡの性能に悪影響を及ぼしたりその性能を下げたりすることなく、第１の段１３１４の集電電極１３０２に可能な限り近い規格化された距離に配置され得る。
【０１１２】
例示の目的で、隣り合う段１３１４および１３１５の電極に印加されるすべての電圧とその成分（たとえば、ａｃおよびｄｃ）とが等しいと仮定する。さらに、コロナ放電電極１３０１および１３０３に高い電圧が印加され、かつ、集電電極１３０２および１３０４が接地される、すなわち、コロナ放電電極１３０１および１３０３に印加される高い電圧
に対して共通の接地電位で維持されると仮定される。すべての電極は、互い違いに配置された列におけるそれ自体の段の相補的な電極と水平に整列しかつ垂直にオフセットされている別々の段の対応する電極と平行で垂直な列に配置される。コロナ放電電極１３０１と、垂直に隣接する最も近くの集電電極１３０２の前縁との間の規格化された距離１３１０はａＮ１に等しい。第２の段のコロナ電極１３０３と第１の段の集電電極１３０２の後縁との間の規格化された距離ａＮ２（１３１３）は、ａＮ１よりも大きないくらかの距離ａＮ２であるはずであり、実際の距離はコロナ放電電極に印加される特定の電圧に依存する。いずれの場合も、ａＮ２はａＮ１よりも大きくなくてはならず、すなわち、１〜２倍の距離ａＮ１、より好ましくは１．１〜１．６５倍のａＮ１、さらにより好ましくは約１．４倍のａＮ１の範囲内であるべきである。特に、図１３Ａに示されるように、距離ａＮ２は、その間に電流の流れを作り出すコロナ開始電圧間の電圧を避けるのに必要とされる以上に大きくなくてはならない。この規格化された「スタント」距離ａＮ２が１．４×ａＮ１に等しいと仮定する。すると、隣り合う段の間における水平距離１３１２は、距離ａＮ２（１３１３）未満である。図示のとおり、段内の間隔は、隣り合う段のうち同じ種類の電極が（図１３Ａに示される）１つの平面１３２０に位置する場合、最小限にされる。平面１３１４は、コロナ放電電極の縁を含む平面（図１３Ａにおける平面１３１７）と直交する平面として規定され得る。隣り合う段の同じ種類の電極が、異なっているが平行な平面、たとえば（図１３Ｂに示される）平面１３２１および１３２２に位置する場合、隣接するＥＦＡの段の電極間における結果的な最小限の間隔は、線１３１９で示されるａＮ２に等しい。線１３１９の長さが距離１３１３（ａＮ２）と同じであり、かつ距離１３１２よりも長いので、段の間の間隔が大きくなることに留意されたい。
【０１１３】
こうして、この発明のこれらの特徴は、３つの条件のうちの１つ以上をさまざまに組合せて満たすアーキテクチャを組込む。
【０１１４】
１． 隣り合うＥＦＡの段の電極は、実質的に同じ電圧波形で電力が供給される、すなわち、隣り合う電極上の電位は実質的に同じ交流成分を有するはずである。それらの交流成分は、大きさおよび位相がともに近いかまたは同一であるはずである。
【０１１５】
２． 隣り合うＥＦＡの段は狭い間隔で配置され、隣り合う段の間の間隔は、当該隣り合う段の電極間におけるいかなるコロナ放電をも避けるかまたは最小限にするのに十分な距離に制限されかつ決定されている。
【０１１６】
３． 隣り合う段の同じ種類の電極は、電極（または電極の前縁）が位置する平面と直交する同じ平面に位置するべきである。
【０１１７】
図１４は、ワイヤ状のコロナ電極１４０２（他の数が含まれてもよいが、この発明を例示する目的で３つの電極が示され、典型的な装置は、所望の性能をもたらすのに適切なアレイで数十または数百の電極を有する）と、加速電極１４０９（この発明の簡略化された例においては２つ）とを含むＥＦＡ装置１４００の概略図である。加速電極１４０９の各々は、比較的高抵抗の部分１４０３と低抵抗の部分１４０８とを含む。高抵抗部分１４０３は、１０1〜１０9'Ω−ｃｍ、より好ましくは１０5〜１０8'Ω−ｃｍ、さらに好ましくは１０6〜１０7'Ω−ｃｍの範囲内の特定の抵抗ρを有する。
【０１１８】
すべての電極は断面で示される。したがって、コロナ電極１４０２は細いワイヤの形または形状であるが、加速電極１４０９はバーまたはプレートの形状である。加速電極１４０９に最も近いコロナ電極１４０２の「下流」部分がイオン化端１４１０を形成する。コロナ電極１４０２と加速電極１４０９の低抵抗部分１４０８とは、ワイヤ導体１４０４および１４０５を介して高電圧電源（ＨＶＰＳ）１４０１の反対側の極性端子に接続される。低抵抗部分１４０８は特定の抵抗ρ≦１０4'Ω−ｃｍを有し、好ましくは１'Ω−ｃｍ
を超えず、さらにより好ましくは０．１'Ω−ｃｍを超えない特定の抵抗を有する。ＥＦ
Ａ１４００は、矢印１４０７で示される所望の流体の流れの方向に流体の流れを作り出す。
【０１１９】
ＨＶＰＳ１４０１は、電界が電極間に形成されるように電極１４０２と集電電極１４０９との間に予め定められた電圧を生成するよう構成される。この電界は、１４０６として概略的に示される点描の流線によって表わされる。当該電圧がいわゆる「コロナ開始電圧」を上回ると、コロナ放電活動がコロナ電極１４０２の近傍において開始され、これにより、コロナ電極１４０２からの対応するイオン放出プロセスがもたらされる。
【０１２０】
コロナ放電プロセスにより、流体イオンがコロナ電極１４０２から放出され、電界線１４０６に沿いかつこれに追従して加速電極１４０９の方に加速される。コロナ電流は、自由イオンおよび他の荷電微粒子の形であり、加速電極１４０９の最も近い端部に届く。次いで、コロナ電流が、周囲の流体のいくらか高抵抗の経路とは対照的に、電気抵抗が最も低い経路に沿って電極を通って流れる。加速電極１４０９の高抵抗部分１４０３が周囲のイオン化流体よりも低い抵抗を有するので、コロナ電流のかなりの部分が加速電極１４０９の本体を通り、すなわち高抵抗部分１４０３を通り低抵抗部分１４０８へ、さらに接続ワイヤ１４０５を介して完結されるＨＶＰＳ１４０１への戻り経路へと流れる。電流が（空気流１４０７の主要な方向に対して平行な）高抵抗部分１４０３の幅（図１４を参照）に沿って流れると、電流経路に沿って電圧降下Ｖｄが引起される。この電圧降下は、（差し当たり、低抵抗部分１４０８と接続ワイヤとの抵抗を無視するとして）コロナ電流Ｉｃ掛ける高抵抗部分１４０３の抵抗Ｒに比例している。次いで、コロナワイヤ１０２と加速電極１４０９の最も近いそれぞれの端部との間に印加された実際の電圧Ｖａは、抵抗によって誘導された電圧降下のために、ＨＶＰＳ１４０１の出力電圧Ｖｏｕｔ未満である。すなわち、
Ｖa＝Ｖout−Ｖd＝Ｖout−Ｉc*Ｒ（１）
コロナ電流がコロナ電極１４０２と加速電極１４０９の端部との間の電圧Ｖａに非線形に比例しており、すなわち電流が電圧よりも速く増大することに留意されたい。電圧と電流との関係は経験式によって概算され得る。
【０１２１】
Ｉc＝ｋ1*（Ｖa−Ｖ0）1.5，（２）
この場合、Ｖ0＝コロナ開始電圧、ｋ1＝経験的に決定された係数、である。この非線形の関係は所望のフィードバックを与え、これが、事実上、電極にわたって現われる結果的な電圧Ｖaの値を自動的に制御し、コロナ放電の外乱および不規則さを防ぐか、最小限に
するか、軽減するかまたは緩和する。コロナ放電プロセスが、温度、汚染、湿気、異物などの変わりやすい複数の環境因子に依存する本質的に「不規則な」（すなわち「予測できない」）コロナ電流値であると考えられることに留意されたい。何らかの理由で、電極間の空間の１つの位置におけるコロナ電流がどこか他の位置におけるよりも大きくなる場合、対応する高抵抗部分１４０３に沿った電圧降下Ｖdがより大きくなり、したがって、こ
の位置における実際の電圧Ｖaがより低くなるだろう。これにより、この位置におけるコ
ロナ電流が制限され、スパークまたはアークの発生が防止されるかまたは最小限にされる。
【０１２２】
以下の例は、この発明の一実施例において用いられるかもしれない典型的な成分値を用いて例示の目的で示される。図１４に概略的に示されるＥＦＡ１４００の一実施例においては、コロナ開始電圧は、コロナ電極１４０２の近傍において最小限の３０ｋＶ／ｃｍの電界強度を達成するために８．６ｋＶに等しくなると想定される。この値は計算、測定またはそれ以外の方法で決定されてもよく、コロナ／加速電極の１０ｍｍの間隔とコロナ電極の０．１ｍｍの直径とに対するコロナ開始値に特有のものである。加速電極１４０９の高抵抗部分１０３の全抵抗Ｒtotalは０．５ＭΩに等しく、空気流方向１４０７に沿った
高抵抗部分１４０３の幅（図１４を参照）は１インチに等しい。空気流の方向に対して横方向の（すなわち、図面の平面の方への）加速電極１４０９の長さは２４インチに等しい。したがって、加速電極１４０９の１インチごとに抵抗Ｒinchがある。
【０１２３】
Ｒinch＝Ｒtotal*２４＝１２Ｍ'Ω
この特定の設計に対する経験的係数は、２２*１０-6に等しい。１２．５ｋＶに等しい
印加された電圧Ｖａでは、コロナ電流Ｉcは以下に等しい。
【０１２４】
Ｉc＝４．６×１０-9*（１２，５００Ｖ−８，６００Ｖ）1.5＝１．１２ｍＡ．
しかしながら、半導体部分１０３の各インチを通って流れるコロナ電流Ｉc/inchは以下に等しい。
【０１２５】
１．１２ｍＡ／２４インチ＝４７μＡ／インチ．
したがって、この半導体部分１０３の１インチの長さにわたる電圧降下Ｖdは以下に等
しい。
【０１２６】
Ｖd＝４７*１０-6Ａ*１２*１０6Ω＝５６４Ｖ．
ＨＶＰＳ１４０１からのＶoutは電極に印加された電圧Ｖaの合計に等しく、加速電極１４０９の半導体部分１４０３にわたる電圧降下Ｖdは以下のとおりである。
【０１２７】
Ｖout＝１２，５００＋５６４＝１３，０６４Ｖ．
何らかの理由で、ある局所区域におけるコロナ電流が、ある地点において９４μＡに等しくなるように、たとえば十分に分配された４７μＡ／インチの値の２倍に増大する場合、結果的な電圧降下Ｖdはこの変化を反映し、１，１２８Ｖに等しくなるだろう（すなわ
ち、Ｖｄ＝９４×１０-6μＡ*１２×１０6Ω）。すると、Ｖa＝Ｖout−Ｖd＝１３，０６
４−１，１２８＝１１，９３６Ｖとなる。こうして、電圧降下Ｖdの増大により、局所区
域における実際の電圧レベルが減衰され、この区域におけるコロナ電流が制限される。式（２）に従うと、この１インチの長さを通るコロナ電流Ｉcは、１．１２ｍＡとは対照的
に、４．６*１０-9（１１，９３６−８，６００Ｖ）1.5／２４インチと表わすことができる。この「負のフィードバック」効果は、これにより、何らかの局所的な不規則さがある場合でも通常のＥＦＡ動作を復元するよう動作する。たとえば、電極間の空間内に入ってくる異物（たとえば、塵など）によって短絡が発生した極端な状況においては、回路を通る最大電流は、当該異物が電極に接触する局所区域の抵抗によって実際上制限される。
【０１２８】
２つの電極を共に短絡させる、すなわち、コロナ電極１４０２と加速電極１４０９との間における（介在する流体の電気抵抗に比べて）比較的抵抗の低い電気経路をもたらす指またはねじ回しのような異物について考察する。電流が高抵抗部分１４０３の幅、すなわち１インチにほぼ等しい幅を有する区域を通って流れると当然仮定され得る。したがって、異物が最大の電流の流れＩmaxをもたらし得るが、Ｉmaxは、
Ｉmax＝Ｖout／Ｒtotal＝１３，０６４Ｖ／１２*１０6Ω＝１．２ｍＡ
に等しく、これは、通常の動作電流１．１２ｍＡよりもわずかに大きい。このような電流のわずかな増加では感電の危険はないはずであり、またはいかなる不快音（たとえば、アークおよびポップノイズ）も生じないはずである。同時に、ＥＦＡ全体の最大動作電流が、以下のとおりに、強い流体の流れ、たとえば少なくとも１００ｆｔ3／ｍｉｎをもた
らすのに十分な値に制限される。
【０１２９】
Ｉmax＝１３，０６４Ｖ／０．５ＭΩ＝２６ｍＡ
加速電極が比較的低い抵抗（たとえば、ρ≦１０4'Ω−ｃｍ、好ましくはρ≦１'Ω−
ｃｍ、より好ましくはρ≦１０-1'Ω−ｃｍ）を有する金属または別の材料でできている
場合、短絡電流はＨＶＰＳ１４０１の最大電力（すなわち最大電流容量）により、および
／または、その出力フィルタ（たとえば、フィルタキャパシタ）に蓄積されたいかなるエネルギによっても制限されることとなり、これにより、ユーザに著しい感電の危険をもたらし、スパークによって生じる不快な「パチッ」という音または「ポップ」音を引起し、および／または、電磁気の障害（たとえば、無線周波妨害またはｒｆｉ）を発生させることとなる。概して、問題のない動作を提供するために高抵抗部分１０３の特定の抵抗特性および幾何学的構成（長さ対幅の比率）が選択されるが、ＥＦＡの動作には電流の制限を課さない。これは、（ｉ）加速電極の全長（主要な流体の流れの方向に対して横方向のサイズ）と、（ii）加速電極の幅（流体の流れの方向に沿ったサイズ）との間の（好ましくは少なくとも１０である場合の）比較的大きな比率を提供することによって達成される。一般に、電極の長さはその電極の幅よりも大きいはずである。最適な結果は、電極の位置および構成に依存して、複数の加速電極、好ましくは、コロナ電極の数のプラスマイナス１個以内の数に等しいいくつかの加速電極を設けることによって達成され得る。図１４は例示の目的で２つの加速電極と３つのコロナ電極とを示すが、他の電極構成が４つの加速電極のうち同じ３つのコロナ電極に面する３つの加速電極を含むか、または他の数および構成の代替的な電極構成を含むだろうことに留意されたい。
【０１３０】
局所的な過剰な電流が高抵抗材料の劣化に繋がるおそれがあることも考慮に入れるべきである。これは、異物がいくらか長期間（たとえば、除去される前に数ミリ秒以上）にわたって電極間にひっかかる場合に特に当てはまる。過電流の状態による電極の損傷および関連する故障を防ぐために、ＨＶＰＳは、このような過電流の事象を検出し、かつ速やかに発電を中断するかまたは電流の流れを妨げることのできる電流センサまたは他の装置を備えていてもよい。予め定められたリセットまたは休止期間Ｔoffの後、残りまたは残余
の短絡状態のいずれをも検出するのに十分な最小限の予め定められたいくらかの期間Ｔonにわたって発電が回復され得る。この短絡状態が続く場合、ＨＶＰＳは、少なくとも期間Ｔoffにわたって遮断されるか、またはそうでない場合不能化される可能性がある。こう
して、過電流の問題が続く場合、ＥＦＡの安全な動作と電極の長い寿命とを確保するために、ＨＶＰＳ１４０１は、Ｔonよりも実質的に長い（たとえば１０倍以上長い）Ｔoffを
有する何回かのサイクルにわたってこのオン・オフサイクルの動作を続け得る。ある場合においては、このサイクルは、手作業で介入する必要なしに、或る短絡した状態を除く効果を有することに留意されたい。
【０１３１】
図１５は、高抵抗部分を有する加速電極を備えたＥＦＡの別の実施例を示す。図１４に示されるＥＦＡ１４００とＥＦＡ１５００との間の主な相違は、後者においては、低抵抗部分１５０８が加速電極１５０９の高抵抗部分１５０３内に完全に収容される（すなわち、周囲の高抵抗材料によって完全に封入される）ことである。この変更により、この発明のこの実施例に少なくとも２つの利点が与えられる。第一に、高抵抗部分１５０３内に低抵抗部分１５０８を完全に封入すると、ＨＶＰＳ１５０１の高電圧の「ホットな」端子に不用意にまたは偶発的に直接接触するのを妨げることによってＥＦＡの安全が高められる。第二に、この構成により、コロナ電流が、表面領域だけでなく、高抵抗部分１５０３のより多くの部分または体積を通じて流れるようにされる。大抵の高抵抗材料（たとえばプラスチックまたはゴム）に対する表面導電性は、体積（すなわち内部の）導電性と同じオーダであるが、累進的な表面の汚染および劣化のために劇的に異なる（たとえば、時間とともに数桁のオーダで増加しつつ変化する）可能性がある。
【０１３２】
ＥＦＡは、加速電極の表面における流体に存在する粒子を集める固有の能力を有する。いくらかの量または分量の粒子が集められるかまたは加速電極上に蓄積する場合、当該粒子は汚染物質の連続した固体層、たとえば連続した膜で電極の表面を覆う可能性がある。この汚染物質の層の導電性は、高抵抗材料自体の導電性よりも高い可能性がある。このような場合、コロナ電流はこの汚染物質層を通って流れ、高抵抗材料が与える利点を損なうおそれがある。図１５のＥＦＡ１５００は、高抵抗部分１５０３内に低抵抗部分１５０８
を完全に封入することによってこの問題を回避する。低抵抗部分１５０８が、ＨＶＰＳ１５０１の供給端子またはＨＶＰＳ１５０１から電力を供給する導電性ワイヤ１５０５と連続しているかまたはそれに直接接触するいずれかの点を有する必要がないことに留意されたい。これらの導電性部分の主な機能は、加速電極１５０９の長さに沿って電位の平衡を保つこと、すなわち低抵抗部分１５０８と接触する高抵抗部分１５０３がいくらかの等電位で維持されるように電流を分配することであることが理解されるべきである。加えて、（イオン化端１５１０を含む）コロナ電極１５０２が接地される場合、高い動作電圧によって負傷および／または感電死を招くおそれのある危険な電流レベルに不注意にまたは偶発的にさらされる機会が実質的に減じられるかまたはなくなるが、これは、構造全体にわたって接触する「ホットな」電位が存在しないからである。
【０１３３】
図１６は、（好ましくはイオン化端１６１０を有する長手方向に向けられたワイヤとして形成される）コロナ電極１６０２と加速電極１６０３とを備えたＥＦＡアセンブリ１６００の概略図であり、当該加速電極１６０３は水平に積み重ねられた複数の高抵抗バーを含み、その各々が加速電極の幅に沿って低減する異なる抵抗値を有している。加速電極１６０３はいくつかのセグメント１６０８〜１６１２でできており、各々が、隣接する隣りのセグメントに直に接触している。これらのセグメントの各々は、異なる特定の抵抗値ρnを有する材料でできているかまたはそのように設計されている。特定の抵抗がＨＶＰＳ
１６０１端子接続の方に漸進的に（すなわち、セグメント１６０８〜１６０９、１６１１および１６１２から逓減して）減少する場合、結果的な電界が流体の流れの主要な方向に対する直線性の点でより均一であることが決定されている。図１４および図１６においては、コロナ電極１４０２／１５０２と加速電極１４０３／１５０３との間に示される電界線が流体の流れの主要な方向に対して完全に平行ではなく湾曲していることに留意されたい。この湾曲により、イオンおよび他の荷電粒子が方向の範囲にわたって加速され、これによりＥＦＡの効率を低下させる。一連の加速電極抵抗値を有することにより、特にコロナ電流が或る最大値に達するとイオンの軌道が流体の流れの主要な方向と整列することが分かった。加速電極１６０３が、例示の目的でそれぞれの抵抗値ρnを持ついくつかの別
個のセグメントを含むよう示されるが、抵抗値が電極の幅にわたって絶えず異なるようにされ得ることにも留意されたい。当該幅にわたる漸進的な抵抗の変動は、たとえば、漸進的な抵抗の増加または低減を達成するために適切に変化する濃度レベルで好適な不純物質をイオン注入することを含むいくつかのプロセスによって達成され得る。
【０１３４】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、加速電極１７０３が高抵抗材料で作られているＥＦＡ１７００のさらに別の実施例の概略図である。例示の目的で、図１７Ａおよび図１７Ｂは、特定の数のコロナ電極１７０２および加速電極１７０３をそれぞれ示すが、他の数および構成がこの発明のさまざまな実施例に合致して用いられてもよい。
【０１３５】
加速電極１７０３は、１つ以上の高抵抗材料の薄い細片または層でできている。コロナ電極１７０２は金属または導電性セラミックなどの低抵抗材料でできている。ＨＶＰＳ１７０１は導電性ワイヤ１７０４および１７０５によってコロナ電極１７０２および加速電極１７０３に接続される。コロナ電極１７０２の幾何学的構成は、電極が維持および据付が本質的により難しい針または細いワイヤとして形成され、かつＥＦＡの通常の動作の途中で損傷を受けやすい幾何学的構成とは異なる。各コロナ電極１７０２の下流の縁はイオン化端１７１０を含む。他の小さな物体と同様に、典型的にはコロナ電極に用いられる細いワイヤは脆いので信頼性がない。代わりに、図１７Ａおよび図１７Ｂに示されるこの発明の実施例は、比較的幅の広い金属製の細片の形をしたコロナ電極を備える。これらの金属の細片は、その「下巻の」縁に沿ってコロナ放電を容易に発生させるように必然的にコロナ放電端部が薄いが、当該細片は（空気流の向きに沿った方向に）比較的広く、これにより、それに対応して細いワイヤほど脆弱ではない。
【０１３６】
図１７Ａに示されるＥＦＡ１７００の別の利点は、先のシステムにおいて用いられるよりも実質的に薄い加速電極１７０３を含む。すなわち、先の加速電極は、加速電極の縁の周辺および周囲に電界を発生させないようにするために、典型的には関連するコロナ電極よりもはるかに厚い。図１７Ａに示される構成は、加速電極１７０３の平坦な面とは逆または反対側のコロナ電極１７０２の縁（この発明の図ではコロナ電極の右側の「下巻の」縁）の配置により、加速電極１７０３による電界の発生を最小限にするかまたはなくす。すなわち、コロナ電極１７０２の本体のうち少なくとも一部分が加速電極１７０３の前縁を通り過ぎる所望の流体の流れの方向へ下巻の方に延在し、これにより、コロナ電極１７０２のその後縁に沿った動作部分が、加速電極１７０３の延在した平坦面の間かつそれらのすぐ近くにコロナ放電を発生させる。この方向付けおよび構成により、コロナ電極１７０２の後縁の周囲に形成される対応する電界強度よりも実質的に低い電界強度がこのような平坦面の近傍において与えられる。こうして、コロナ放電は、加速電極１７０３の表面ではなく、コロナ電極１７０２の後縁の近傍に生成される。
【０１３７】
コロナ放電の開始直後に、コロナ電流が、流体内のイオンおよび荷電粒子の生成と、導電性ワイヤ１７０５を介する加速電極１７０３の本体に沿ったＨＶＰＳ１７０１へのこのような電荷の移動とにより、コロナ電極１７０２と加速電極１７０３との間に位置する加速すべき流体（たとえば空気、絶縁液体など）を通って流れる。反対方向には（すなわち、加速電極１７０３から流体を通りコロナ電極１７０２へと）電流が流れないので、バックコロナは生成されない。この構成により、（矢印１７０７で示される）所望の流体の流れの方向に対し、別の構成で与えられ得るよりも実質的に直線的な（線１７０６で表される）電界がもたらされることがさらに分かった。流体の流れの主要な方向に対して横方向の電界の等電位線を生成する加速電極１７０３にわたる電圧降下により、電界の直線性が一層高められる。電界線がこのような等電位線と直交しているので、当該電界線は主要な流体の流れの方向に対しより平行となる。
【０１３８】
図１７Ａに示されるＥＦＡ１７００の別の利点は、加速電極１７０３の介在する構造によりコロナ電極１７０２の活性部分（すなわち、図に示される右縁）を互いから隔離することによって提供される。こうして、コロナ電極は互いを「見ることなく」、したがって、先のシステムとは異なり、コロナ電極１７０２は互いに極めて近接して（すなわち、図１７Ａに示されるように垂直方向に）位置決めされ得る。図１７Ａに関連して説明される設計の特徴を用いることにより、実質的でより大きな流体の流れを実現するのを阻む２つの主要な障害が回避される。これらの障害のうち第１の障害は、典型的な加速電極の比較的前面が厚い部分によってもたらされる高い空気抵抗である。この発明の構成により、抗力が低い幾何学的構成を有する、すなわち空気力学的に「好適な」形状に形成されるコロナ電極および加速電極がともに提供される。たとえば、これらの幾何学的構成がもたらす大気に対する抗力Ｃｄの係数は、１を超えず、好ましくは０．１未満、より好ましくは０．０１未満である。実際の幾何学的構成または形状は所望の流体の流れと加速すべき流体の粘性とに必然的に依存しており、これらの因子は設計間で異なっている。
【０１３９】
この発明のこの実施例によって克服される第２の障害は、先の構成に従って必要とされかつ先の構成によって認められる従来の電極間の間隔の要件のために起こり得る結果的に低密度な電極である。たとえば、引用によりこの明細書中に全体が援用される米国特許第４，８１２，７１１号は、互いから５０ｍｍの距離の間隔を空けて配置された４つのコロナ電極を示す。当然のことながら、この比較的低密度で少数の電極では、結果として得られる低レベルの流体の流れでもって極めて低電力のレベルにしか対処し得ない。対照的に、この発明の実施例は、コロナとアトラクタとの間の１０ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満の間隔に対処する。
【０１４０】
電極のさらに別の構成が図１７ＢのＥＦＡ１７００に関連して示される。この場合、コ
ロナ電極１７０２は、矢印１７０７で示される所望の流体の流れの方向に加速電極１７０３から予め定められた距離をあけて配置される。また、結果的な電界は、コロナ電極１７０２から出て加速電極１７０３に向けられる破線で示されるように実質的に直線的である。しかしながら、所望の流体の流れの方向に対して、コロナ電極１７０２が加速電極１７０３の「中間」には配置されないことに留意されたい。
【０１４１】
図１７Ａに示されるこの発明のさまざまな実施例の目的は、他の場合に可能であるかまたは他のＥＦＡ装置によって実現される以外の現在の製造技術と合致した間隔のより狭いコロナ電極（すなわち、より高密度の電極）を実現することに向けられる。すなわち、極端に薄く短い電極は、たとえば現在の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）と関連する半導体技術および能力と合致する単一の製造プロセスまたはステップによって容易に製造可能である。図１７Ａを再び参照すると、隣接するコロナ電極１７０２が互いから１ｍｍ未満またはさらにはわずか数μｍ未満の距離だけ間隔をあけて垂直に配置され得ることが分かるだろう。結果として電極密度が増加することにより、流体加速および流量が向上する。たとえば、米国特許第４，８１２，７１１号は、毎秒（ｍ／ｓｅｃ）０．５メートルの気流速度しか発生させることのできない装置を説明する。そうではなく、電極が１ｍｍの間隔をあけて配置される場合、電極密度の５０倍の増加と電力能力の向上とが実現されて、気流速度がこれに対応して、すなわち約２５ｍ／ｓｅｃまたは５，０００ｆｔ／ｍｉｎにまで高められ得る。さらに、いくつかのＥＦＡの段は、所望の流体の流れの水平な方向に連続して、またはタンデムに配置されてもよく、各段はさらに、それが連続した段を通過すると流体を加速させる。当該段の各々は直接隣接した段から予め定められた距離に配置され、この距離は、各段の対向する電極に印加される最大電圧によって決定される。特に、ある段のコロナ放電電極および加速電極がともにより近接して配置される場合、コロナ放電を開始しかつ維持するのに必要な電圧がより少なくて済む。したがって、ＥＦＡの全段は同様に、各段内で用いられるよりも低い動作電圧を考慮して、互いにより近接して配置され得る。この関係により、段内の（たとえば垂直方向の）電極密度にほぼ比例した水平方向の段密度が得られる。こうして、流体の流れの加速が電極間の距離の２乗に反比例するように、電極の「垂直」密度の増加が類似の「水平」密度をもたらすことが予想され得る。
【０１４２】
この発明のさまざまな実施例によって実現される利点は、加速電極の一部分として高抵抗材料を用いることに少なくとも部分的に起因する。高抵抗材料は、比較的高抵抗の材料、たとえば、炭素入りのプラスチックまたはゴム、ケイ素、ゲルマニウム、錫、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、セレン化カドミウムなどを含み得る。これらの材料は、１０1〜１０10'Ω−ｃｍ、より好ましくは１０4〜１０9'Ω−ｃｍ、
より好ましくは１０6〜１０7'Ω−ｃｍの範囲の特定の抵抗ρを有するはずである。高抵
抗材料を用いることにより高い電極密度が支持される。たとえば、近接して配置された金属の加速電極は、高い頻度でスパーク事象を発生させる不安定な動作特性を示す。対照的に、この発明の実施例に従った高抵抗電極は、より直線的な電界を生成し、これにより、スパークの発生と、加速電極の鋭い縁から出てくるバックコロナの生成とを最小限にする。バックコロナの除去については図１７Ａを参照すると理解され得る。
【０１４３】
さらに図１７Ａを参照すると、コロナ放電事象が、コロナ電極１７０２の後縁または右縁においてまたはそれに沿って発生するが、加速電極１７０３の前縁または左縁に沿って発生しないことが示され得る。これは、コロナ放電プロセスによって発生する電圧および電界分布のためである。たとえば、加速電極１７０３の左縁は、薄いかまたは鋭利にされているコロナ電極１７０２の右縁よりも少なくともいくらか厚い。電極付近の電界が電極の厚さにほぼ比例しているので、コロナ放電はコロナ電極１７０２の前縁で始まる。次いで、結果的なコロナ電流が、コロナ電極１７０２の後縁からＨＶＰＳ１７０１の高電圧端子へと２つの経路を通って流れる。第１の経路は、線１７０６で示される電界に沿った流
体のイオン化された部分を通る。第２の経路は加速電極１７０３の本体を通る。加速電極１７０３の本体を通って流れるコロナ電流は、結果として、この本体に沿って電圧降下をもたらす。この電圧降下は、加速電極１７０３の右縁に印加されるように高電圧端子から当該電極の左縁の方に進む。コロナ電流が増大すると、対応する増加がこの電圧降下に示される。ＨＶＰＳ１７０１の出力電圧が、加速電極１７０３の左縁に沿ってコロナ放電を始めるのに十分なレベルに達すると、これらの縁における電圧降下は、いかなる電圧の上昇をも減衰させ加速電極の縁に沿ったコロナ放電を妨げるのに十分に高い。
【０１４４】
この発明の他の実施例は、電極間の間隔をたとえば数ミクロンのオーダに減じ得る。このような間隔では、コロナ放電状態は比較的低い電圧で開始され得るが、そのコロナ放電は、電圧自体ではなく、電圧によって発生する高強度の電界によって引起こされる。この電界強度は、印加される電圧にほぼ比例し、対向する電極間の距離に反比例している。たとえば、約８ｋＶの電圧は、約１ｃｍの電極間の間隔でコロナ放電を開始するのに十分である。電極間の間隔を１０分の１の１ｍｍに減ずることにより、コロナ放電を開始するのに必要な電圧が約８００ボルトにまで減じられる。電極間の間隔を０．１ｍｍにさらに減ずると所要のコロナ開始電圧が８０Ｖに減じられ、１０ミクロンの間隔ではコロナ放電を開始するのに８ボルトしか必要とされない。これらのより低い電圧によって電極間の間隔と各段の間の間隔とがより狭くなり、これにより、全体的な流体の加速が数倍に増す。先に述べたように、この増大は電極間の距離の２乗にほぼ反比例しており、結果として、１ｃｍの間隔と比べて、空気流の全体的な増加がそれぞれ１００，１０，０００および１，０００，０００となる。
【０１４５】
高抵抗電極構造を用いる利点のさらなる説明が図１８Ａおよび図１８Ｂに関連して述べられる。図１８Ａを参照すると、ＥＦＡ１８００はコロナ電極１８０２と加速電極１８０３とを含む。加速電極１８０３は、低抵抗部分１８０４と高抵抗部分１８０６とを含む。コロナ電流は、矢印１８０５で示される電流の経路を介しコロナ電極１８０２と加速電極１８０３との間に存在するイオン化流体を通って（すなわち電極間の空間を通って）流れるが、その経路は、矢印で示されるように加速電極１８０３の高抵抗部分１８０６を通じて続いている。局所的な外乱、たとえばスパーク事象が発生すると、結果的な放電電流が、図１８Ｂの矢印１８０７で示される狭い経路を通るよう導かれる。次いで、当該電流が、高抵抗部分１８０６にわたってより幅広の経路１８０８に沿って進む。増加した電流の流れが加速電極１８０３の小さな領域から出て、経路１８０８にわたって次第に外方向に広がるだけであるので、経路１８０８にわたる結果的な抵抗は、このような電流が高抵抗部分１８０６の全体にわたって分配される場合よりも実質的に高くなる。したがって、増加した電流の流れによって知らされるスパークまたはスパーク前の事象が経路１８０８に沿った抵抗によって制限され、これにより電流が制限される。高抵抗部分１８０６が特定の抵抗と幅対長さの比率とを有するよう選択される場合、いかなる著しい電流増加も回避または軽減され得る。このような電流増加は、上述の放電もしくはスパーク、電極上もしくは電極間の異物（たとえば塵、虫など）の存在、ねじ回し、または電極間に据えられ電極に接触する指さえも含むいくつかの事象によって引起こされる可能性がある。
【０１４６】
この発明の別の実施例が図１９に示される。図示のとおり、ＥＦＡ１９００は加速電極１９０３の櫛状の高抵抗部分１９０６を含む。スパークなどのいかなる局所的な事象も、吸引電極１９０３のごく一部分にわたって、たとえば事象付近の単一または少数の歯にわたって流れるよう明確に制限される。通常の動作状態に関連付けられるコロナ電流は矢印１９０５で示される。たとえば、矢印１９０７および１９０８で示されるスパークなどの事象は、指または歯１９０６に沿って流れるよう制限される。この経路にわたる抵抗は、事象によってもたらされる電流のいかなる増加をも抑えるのに十分に高い。幅対長さの比率を選択するのではなく、歯の数を増すことで性能が高められることに留意されたい。典型的な１対０．１の幅対長さの比率が適切であり得るが、０．０５対１以下の比率がより
好ましいだろう。
【０１４７】
記載されたように、この発明のさまざまな特徴により、コロナ放電またはイオンの放出を発生させるために固体以外の材料を用いることが可能となる。概して、固体材料は単に「しぶしぶ」イオンの生成を諦め、これにより流体のＥＦＡ加速を制限する。同時に、水などの多くの流体は、コロナ放電を引起すよう位置決めされかつ形作られる場合、より多くのイオンを放出し得る。たとえば、コロナ放出材料として導電性流体を用いることが米国特許第３，７５１，７１５号に記載される。その中においては、涙滴の形をした容器が、導電性流体を入れるためのくぼみとして記載される。導電性流体は、たとえば水道水であってもよく、またはより好ましくは、ＮａＣｌ、ＨＮＯ３、ＮａＯＨなどの強電解質を含む水溶液であってもよい。図２０は、ＥＦＡ２０００が５つの加速電極２００３と４つのコロナ電極２００２とを含むこの発明の実施例に従ったＥＦＡの動作を示す。これらの電極はすべて断面で示される。コロナ電極は各々、狭く細長い非導電性シェル２００９から成り、当該非導電性シェル２００９はプラスチックまたはシリコンなどの絶縁材料で作られ、シェルの後縁または右側におけるイオン化端２０１０においてスロット２０１１が形成されている。コロナ電極２００２のシェル２００９は、適切な供給管を介して導電性の流体供給部または貯蔵器（図示せず）に接続される。コロナ電極２００２の後縁に形成されるスロット２０１１は、流体が流体分子の張力によってシェル２００９内に収容されるように十分に狭い。スロット２０１１は、スロットを通して導電性流体をゆっくりと一定に放出するために、スポンジ状の「障害」またはノズル部分を備えていてもよい。ＨＶＰＳ２００１は、導電性流体２００８が先の鋭い導体として作用し、かつスロット２０１１におけるコロナ電極２００２の後縁からイオンを放出するように、コロナ放電を発生させるのに十分な電圧を生成する。導電性流体２００８の結果的なイオンは、線２００６で表される電界に沿ってスロット２０１１から加速高抵抗電極２００３の方に移動する。流体がコロナ放電の発生に消費されると、当該流体は、適切な流体供給部または貯蔵器（図示せず）からシェル２００９を介して補充される。
【０１４８】
この明細書中に言及されるすべての公報、特許および特許出願がこの発明が関係する当業者のレベルを示すことが留意されかつ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、個々の公報、特許または特許出願の各々が全体として引用により具体的かつ個別に援用されるよう示されたのと同程度に、引用によりこの明細書中に援用される。
【符号の説明】
【０１４９】
１００ 高電圧電源、１０１ ＤＣ電圧源、１０４，１１３ 電力トランジスタ、１０５，１１４ キャパシタ、１０６ 高電圧昇圧変圧器、１０７ 一次巻線、１０８ 二次巻線、１０９ 電圧整流器、１１０ 抵抗器、１１１ ゲート信号コントローラ、１１３
トランジスタ、１１５ トランジスタ、１１６ キャパシタ、１１９ 高電圧キャパシタ、１２０ 端子、１２１ 抵抗器、１２２ ツェナーダイオード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパーク管理装置であって、
電力を負荷装置に供給するよう動作可能な高電圧電源と、
前記負荷装置における１つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、
前記負荷におけるスパーク前の状態を識別するために前記１つ以上の電磁パラメータに応答する第１の検出器と、
前記高電圧電源が、前記スパーク前の状態に応答して前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第１の検出器に接続された第２の検出器とを含む、スパーク管理装置。
【請求項２】
前記高電圧電源は、一次電源を高電圧電力供給に変圧して前記電流を供給するよう構成される高電圧電源を含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項３】
前記高電圧電源は、昇圧多重巻線磁気力装置と、前記昇圧多重巻線磁気力装置の一次巻線に接続される出力を有する代替的な電圧発生器を含む高電圧電源と、高電圧レベルで前記電流を供給するために前記昇圧多重巻線磁気力装置の二次巻線に接続される整流回路とを含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項４】
前記高電圧電源は、低レベルの蓄えられた電磁エネルギを備えた出力回路を有する高電圧電源を含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項５】
前記高電圧電源は、前記少なくとも１つの電磁パラメータの電流を監視するよう動作可能であり、かつ、スパーク前の状態の検出に応答して、スパーク発生を妨げるレベルにまで前記電流の電圧を下げる制御回路を含む、請求項４に記載のスパーク管理装置。
【請求項６】
前記高電圧電源は、前記電磁パラメータを監視するよう動作可能であり、かつ、スパーク前の状態の検出に応答して、スパークの発生に繋がらないレベルにまで前記電力の電圧を下げる制御回路を含む、請求項４に記載のスパーク管理装置。
【請求項７】
前記スパーク前の状態の前記識別に応答して前記電力の実質的な部分を選択的に受取るための、前記高電圧電源に接続される負荷回路をさらに含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項８】
前記負荷回路は電気エネルギを消散するための電気装置を含む、請求項７に記載のスパーク管理装置。
【請求項９】
前記負荷回路は電気エネルギを蓄えるための電気装置を含む、請求項７に記載のスパーク管理装置。
【請求項１０】
前記負荷装置は、前記電力を受取ってコロナ放電を引起こすよう構成された複数の電極を含むコロナ放電装置を含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１１】
前記コロナ放電装置は静電空気処理装置を含む、請求項１０に記載のスパーク管理装置。
【請求項１２】
前記静電空気処理装置は、静電空気加速装置、静電空気清浄器および静電集塵器からなる群から選択される装置を含む、請求項１１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１３】
前記第１の検出器は、前記負荷装置に加えて補助装置に選択的に電力を供給するための
回路を含み、これにより、前記電力のうち少なくとも一部分が、前記スパーク前の状態の前記識別に応答して前記負荷装置から前記補助装置に向けられる、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１４】
前記負荷装置および前記補助装置はともに、コロナ放電構成によって作り出される静電力の影響下で流体を加速するよう構成されたそれぞれの静電空気処理装置を含む、請求項１３に記載のスパーク管理装置。
【請求項１５】
前記センサは、前記スパーク前の状態を識別するための電流の変化、電圧の変化、磁気の変化、電気事象の発生、および光学事象の発生を含む組から選択される現象に対して感度の良い、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１６】
スパーク管理の方法であって、
高電圧電力を装置に供給するステップと、
前記高電圧電力が前記装置のスパーク前の状態を検出するよう電磁パラメータを監視するステップと、
前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電力を制御して、前記スパーク前の状態に関連付けられるスパーク事象の発生を制御するステップとを含む、方法。
【請求項１７】
高電圧電力を供給する前記ステップは、
電力の源を、一次電圧レベルから前記一次電圧レベルよりも高い二次電圧レベルに変圧するステップと、
前記電力を前記二次電圧レベルで整流して、前記高電圧電力を前記装置に供給するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記監視するステップは、前記高電圧電流における電流スパイクを検知するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記監視するステップは、前記高電圧電力の出力電圧パラメータを検知するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記制御するステップは、前記高電圧電力の電圧レベルを、スパーク発生を妨げるレベルにまで下げるステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記制御するステップは、前記高電圧電力の少なくとも一部分を補助負荷装置に経由させるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記高電圧電力の少なくとも一部分を前記補助負荷装置に経由させる前記ステップは、前記高電圧電力を供給する高電圧電源の出力回路に付加的な負荷を接続するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
コロナ放電電極に流体を導入するステップと、
前記高電圧電力で前記コロナ放電電極に通電するステップと、
前記流体にコロナ放電を発生させるステップと、
前記コロナ放電の影響下で前記流体を加速するステップとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
静電流体加速器であって、
コロナ放電電極およびコレクタ電極のアレイと、
高電圧電力を前記コロナ放電電極に供給するための、前記アレイに電気的に接続された
高電圧電源と、
前記高電圧電力の電磁パラメータを監視するよう構成されたセンサと、
前記負荷装置に供給される前記電力を制御するために前記スパーク前の状態の識別に応答する第１の検出器と、
前記第１の検出器に接続された第２の検出器とを含み、前記第２の検出器は、前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電力の電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えるよう前記高電圧電源を制御するよう動作可能である、静電流体加速器。
【請求項２５】
前記第１の検出器は、前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電源による前記コロナ放電電極への前記高電圧電力の供給を妨げるよう構成される、請求項２４に記載の静電流体加速器。
【請求項２６】
前記第１の検出器は、前記スパーク前の状態の前記識別に応答して前記高電圧電力の少なくとも一部分を受取るよう構成されたダンプ抵抗器を含む、請求項２４に記載の静電流体加速器。
【請求項１】
スパーク管理装置であって、
電力を負荷装置に供給するよう動作可能な高電圧電源と、
前記負荷装置における１つ以上の電磁パラメータを監視するよう動作可能なセンサと、
前記負荷におけるスパーク前の状態を識別するために前記１つ以上の電磁パラメータに応答する第１の検出器と、
前記高電圧電源が、前記スパーク前の状態に応答して前記電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えることを可能にするよう前記第１の検出器に接続された第２の検出器とを含む、スパーク管理装置。
【請求項２】
前記高電圧電源は、一次電源を高電圧電力供給に変圧して前記電流を供給するよう構成される高電圧電源を含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項３】
前記高電圧電源は、昇圧多重巻線磁気力装置と、前記昇圧多重巻線磁気力装置の一次巻線に接続される出力を有する代替的な電圧発生器を含む高電圧電源と、高電圧レベルで前記電流を供給するために前記昇圧多重巻線磁気力装置の二次巻線に接続される整流回路とを含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項４】
前記高電圧電源は、低レベルの蓄えられた電磁エネルギを備えた出力回路を有する高電圧電源を含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項５】
前記高電圧電源は、前記少なくとも１つの電磁パラメータの電流を監視するよう動作可能であり、かつ、スパーク前の状態の検出に応答して、スパーク発生を妨げるレベルにまで前記電流の電圧を下げる制御回路を含む、請求項４に記載のスパーク管理装置。
【請求項６】
前記高電圧電源は、前記電磁パラメータを監視するよう動作可能であり、かつ、スパーク前の状態の検出に応答して、スパークの発生に繋がらないレベルにまで前記電力の電圧を下げる制御回路を含む、請求項４に記載のスパーク管理装置。
【請求項７】
前記スパーク前の状態の前記識別に応答して前記電力の実質的な部分を選択的に受取るための、前記高電圧電源に接続される負荷回路をさらに含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項８】
前記負荷回路は電気エネルギを消散するための電気装置を含む、請求項７に記載のスパーク管理装置。
【請求項９】
前記負荷回路は電気エネルギを蓄えるための電気装置を含む、請求項７に記載のスパーク管理装置。
【請求項１０】
前記負荷装置は、前記電力を受取ってコロナ放電を引起こすよう構成された複数の電極を含むコロナ放電装置を含む、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１１】
前記コロナ放電装置は静電空気処理装置を含む、請求項１０に記載のスパーク管理装置。
【請求項１２】
前記静電空気処理装置は、静電空気加速装置、静電空気清浄器および静電集塵器からなる群から選択される装置を含む、請求項１１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１３】
前記第１の検出器は、前記負荷装置に加えて補助装置に選択的に電力を供給するための
回路を含み、これにより、前記電力のうち少なくとも一部分が、前記スパーク前の状態の前記識別に応答して前記負荷装置から前記補助装置に向けられる、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１４】
前記負荷装置および前記補助装置はともに、コロナ放電構成によって作り出される静電力の影響下で流体を加速するよう構成されたそれぞれの静電空気処理装置を含む、請求項１３に記載のスパーク管理装置。
【請求項１５】
前記センサは、前記スパーク前の状態を識別するための電流の変化、電圧の変化、磁気の変化、電気事象の発生、および光学事象の発生を含む組から選択される現象に対して感度の良い、請求項１に記載のスパーク管理装置。
【請求項１６】
スパーク管理の方法であって、
高電圧電力を装置に供給するステップと、
前記高電圧電力が前記装置のスパーク前の状態を検出するよう電磁パラメータを監視するステップと、
前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電力を制御して、前記スパーク前の状態に関連付けられるスパーク事象の発生を制御するステップとを含む、方法。
【請求項１７】
高電圧電力を供給する前記ステップは、
電力の源を、一次電圧レベルから前記一次電圧レベルよりも高い二次電圧レベルに変圧するステップと、
前記電力を前記二次電圧レベルで整流して、前記高電圧電力を前記装置に供給するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記監視するステップは、前記高電圧電流における電流スパイクを検知するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記監視するステップは、前記高電圧電力の出力電圧パラメータを検知するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記制御するステップは、前記高電圧電力の電圧レベルを、スパーク発生を妨げるレベルにまで下げるステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記制御するステップは、前記高電圧電力の少なくとも一部分を補助負荷装置に経由させるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記高電圧電力の少なくとも一部分を前記補助負荷装置に経由させる前記ステップは、前記高電圧電力を供給する高電圧電源の出力回路に付加的な負荷を接続するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
コロナ放電電極に流体を導入するステップと、
前記高電圧電力で前記コロナ放電電極に通電するステップと、
前記流体にコロナ放電を発生させるステップと、
前記コロナ放電の影響下で前記流体を加速するステップとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
静電流体加速器であって、
コロナ放電電極およびコレクタ電極のアレイと、
高電圧電力を前記コロナ放電電極に供給するための、前記アレイに電気的に接続された
高電圧電源と、
前記高電圧電力の電磁パラメータを監視するよう構成されたセンサと、
前記負荷装置に供給される前記電力を制御するために前記スパーク前の状態の識別に応答する第１の検出器と、
前記第１の検出器に接続された第２の検出器とを含み、前記第２の検出器は、前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電力の電力の大きさを所望のレベルに速やかに変えるよう前記高電圧電源を制御するよう動作可能である、静電流体加速器。
【請求項２５】
前記第１の検出器は、前記スパーク前の状態に応答して前記高電圧電源による前記コロナ放電電極への前記高電圧電力の供給を妨げるよう構成される、請求項２４に記載の静電流体加速器。
【請求項２６】
前記第１の検出器は、前記スパーク前の状態の前記識別に応答して前記高電圧電力の少なくとも一部分を受取るよう構成されたダンプ抵抗器を含む、請求項２４に記載の静電流体加速器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１３４１５８（Ｐ２０１２−１３４１５８Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９２４３（Ｐ２０１２−９２４３）
【出願日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【分割の表示】特願２００９−１８８６２９（Ｐ２００９−１８８６２９）の分割
【原出願日】平成１５年６月２３日（２００３．６．２３）
【出願人】（５０４１４２４１１）テッセラ，インコーポレイテッド (33)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【分割の表示】特願２００９−１８８６２９（Ｐ２００９−１８８６２９）の分割
【原出願日】平成１５年６月２３日（２００３．６．２３）
【出願人】（５０４１４２４１１）テッセラ，インコーポレイテッド (33)
【Ｆターム（参考）】
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