诸多专利(参见例如Shannon等人的美国专利4,210,847，以及 Spurgin的美国专利4,231,766)描述了离子的产生，利用电极(称为 “电晕电极”)，吸引，并因此向另一个电极(称为“集电”和/或“吸 引”电极)加速所述离子，从而朝向该吸引电极的方向将动量传递 给离子。离子和流体之间的碰撞，例如包围的空气分子，将离子的 动量传递给流体，从而促使流体进行相应运动。
Lee的美国专利4,789,801、Weinberg的美国专利5,667,564、 Taylor等人的美国专利6,176,977以及Sakakibara等人的美国专利 4,643,745也描述了利用静电场来加速空气的空气运动装置。在这 些装置中获得的空气速度非常低，并且对于商业或工业应用没有实 际价值。
Edwards的美国专利3,699,387和3,751,715描述了利用连续设 置的多级静电空气加速器(EFA)来增强空气流。这些装置采用导电 网作为吸引(集电)电极，该导电网隔离相邻的电晕电极。该导电网 具有很强的空气阻力从而削弱空气流，从而防止EFA获得所需的 较高流速。
不幸的是，这些装置都不能产生商业可行的空气流的量。在装 置本身设置多级传统空气运动装置不能解决上述问题。例如，连续 设置的五个串联级静电流体加速器仅比单一一级多传送17％的空 气流。例如，参见Spurgin的专利号为4,231,766的美国专利。
因此，需要提供一种能够产生可作商用的流速的实际静电流体 加速器。

本发明提出了在现有技术中对于空气流的限制以及总体上不 能获得理论最佳性能的若干缺陷。其中一个缺陷是，由于采用连续 设置的多级EFA需要沿空气通道(也就是，沿空气流方向)具有很大 的长度，从而对于多级EFA装置而言具有很大的尺寸需求。该长 形通道还会对空气流施加更大阻力。
其它问题出现在当这些级相互靠近设置的时候。各级之间间隔 的减小会在一个级的吸引电极和相邻下一级的电晕放电电极之间 产生“负效电晕”，从而导致产生反向空气流。导致该现象是因为 在下一级的电晕电极和前一(上风)级的集电(吸引)电极之间存在很 大的电位差。此外，因为相邻级之间存在电容，所以在相邻级之间 存在寄生电流。该电流由相邻级之间的非同步高压波动或者高压脉 冲所引发。
另一个问题源自采用大级或多级，从而每个单独级(或级组)具 有自己的高压电源(HVPS)。在这种情况下，产生电晕放电所需的 高压会导致在电极之间产生不可接受的瞬间放电电平。当产生瞬间 放电时，HVPS必须完全关断某时间段，以便在重新运行之前进行 去电离和电火花淬火。随着电极数量增加，产生的瞬间放电比一组 电极的情况要更为频繁。如果一个HVPS向多组电极(也就是多级) 馈电，则需要更为频繁的进行关断操作，以便压制所产生的瞬间放 电的增长量。这就导致了对整个系统进行电源中断操作次数增加， 这是不希望看到的。为了解决该问题，从各自指定的HVPS对每个 级进行馈电是有益的。然而，利用单独的HVPS要求相邻级之间的 间距拉大，以避免相邻级的电极之间的寄生电容导致的不期望的电 串扰，以及避免产生负效电晕。
本发明通过紧密地间隔EFA级并同时最小化或避免引入不期 望的效果提供了一种创新的技术方案来增加空气流。本发明结合电 极几何结构、相互位置以及施加到电极的电压来提供增强的性能。
根据本发明的实施例，多个电晕电极和集电电极相互平行设 置，或者在垂直于气流方向的各个平面之间延伸。相邻级的所有电 极相互平行，相同类型的所有电极(也就是，电晕放电电极或者集 电电极)位于相同平行平面，该相同平行平面正交于相同类型的电 极或者电极边缘所处的平面。根据另一个特征，各级紧密地间隔， 以避免或最小化相邻级的电极之间的所有电晕放电。如果相邻电极 之间的最小间隔为“a”，施加到第一电极的电压V1和施加到最 靠近的第二电极的电压V2之间的电位差(V1-V2)和电极之间的距 离的比值是标准化距离“aN”，则aN＝(V1-V2)/a。一个级的电 晕放电线和相邻级的最接近部分之间的标准化距离应当超过施加 到这些电极之间的电晕启动电压，这实际上意味着它应当不低于从 电晕放电到对应相关(即，最接近的)吸引电极之间的标准化距离的 1.2到2.0倍，以便防止产生负效电晕。
最后，施加到相邻级的电压应当同步并且同相。也就是，施加 到相邻级的电极的电压的交流分量应当同步地升高和降低，并且具 有基本上相同的波形和幅值以及/或者振幅。
本发明增加EFA电极密度(典型地每单元长度的级数进行衡量) 并且消除或大大降低电极之间的寄生电流。同时，本发明消除相邻 级的电极之间的电晕放电(例如，负效电晕)。这一部分是通过利用 基本上相同的电压波形对相邻EFA级进行供电来实现的，也就是， 相邻电极上的电位具有相同或者非常相似的交流分量，从而消除或 减小各级之间的所有交流差分电压，并且最小化相邻级之间紧挨的 相邻电极之间的瞬时电压差。在各级之间以这种同步方式进行操 作，从而使得相邻EFA部件的相邻电极之间的电位差保持恒定， 并且最小化或者完全避免所导致的电极和其它电极之间的任何合 成杂散电流。可以通过多种不同方式来实现同步，但是最简便的是 从对应电源施加各个同步且同相电压到相邻EFA部件，或者利用 同步电源来提供各个施加电压的类似振幅交流分量。这可以通过连 接到相邻EFA部件的相同电源来实现，或者利用产生施加电压的 同步且同相交流分量的不同，且优选匹配的电源来实现。通过将电 晕电极和集电电极设置为相反极性来设置相邻(也就是，紧挨的) 级，也就是，具有相同或相似(也就是，“接近”)电位的相邻级的 电极相互之间的间距最小，从而可以进一步增大电极的密度(也就 是，“电极密度”)。
附图说明
图1A是静电流体加速器(EFA)组件的示意图，具有单个高压 电源向相邻电晕放电级馈电；
图1B是EFA组件的示意图，具有一对同步电源向各个相邻电 晕放电级馈电；
图2A是相邻EPA级的电极之间的电压和电流的定时图，在各 级之间没有交流差分电压分量；
图2B是相邻EFA级的电极之间的电压和电流的定时图，在各 级之间存在小电压波动；
图3是电源单元的示意图，该电源单元包括一对具有同步输出 电压的高压电源子组件；
图4A是采用第一电极位置几何布局的两级EFA组件的示意性 俯视图；
图4B是采用第二电极位置几何布局的两级EFA组件的示意性 俯视图；
图5是EFA组件的示意图，该EFA组件具有一对向各个相邻 电晕放电级馈电的同步电源，其中最接近的电极具有相同或接近的 电位；
图6是当信号间的相位差在0到20度之间变化时，被提供有 某些恒定电位差的信号的两个电极电压之间的最大瞬时电位差的 曲线图；以及
图6A是当信号间的相位差在0到1度之间变化时，被提供有 某些恒定电位差的信号的两个电极电压之间的最大瞬时电位差的 曲线图。

图1A是包括两个EFA级114和115的静电流体加速器(EFA) 装置100的示意图。第一EFA级114包括电晕放电电极106和关 联的加速电极112；第二EFA级115包括电晕放电电极113和关 联的加速电极111。两个EFA级和所有电极都是示意性地被示出。 为了便于说明，对于每一级都仅示出一组电晕放电和集电电极，但 是可以预料到每个级还可以包括许多个阵列对电晕和加速电极。 EFA100的一个重要特征是，电晕放电电极106和集电电极112之 间的距离d1和下一级115的集电电极112和电晕放电电极113之 间的距离d2相当，也就是，相邻级的元件之间的最短距离并不比 相同级内的电极之间的距离大很多。通常，相邻级的集电电极112 和电晕放电电极113之间的级间距离d2应当是相同级内的电晕放 电电极106和集电电极112之间的级内间距距离d1(或者是电晕放 电电极113和集电电极111之间的间距)的1.2至2.0倍。因为所述 一致的间距，所以电极106和112之间的电容和电极106和113 之间电容为同一数量级。注意到，在这种结构中，电晕放电电极 106和113之间的电容耦合使得某些寄生电流可以在电极之间流 动。该寄生电流和电极对106和112之间的电容性电流的振幅为同 一数量级。为了减小电极113和106之间的不必要电流，每个电极 均应供以同步高压波形。在图1A所示的该实施例中，两个EFA级 都由公共的电源105来供电，也就是具有单个电压转换电路或者 “转换器”(例如，电源变压器、整流器以及滤波电路等等)的电源 同时对两个级进行供电。这确保了电极106和113之间的电压差相 对于电极106和111保持恒定，以使得在电极106和113之间没有 电流流过或者仅有非常小的电流流过。
图1B示出EFA 101的一种可选结构，EFA 101包括一对EFA 级116和117，其分别由电源102和103形式的分离的变换器进行 供电。第一EFA级116包括形成级116内的一对补充电极的电晕 放电电极107和集电电极108。第EFA级117包括形成级116 内的第二对补充电极的电晕放电电极109和集电电极110。两个 EFA级116、117和所有电极107～110都采用示意性方式示出。
第一EFA级116由电源102供电，而第二EFA级117由电源 103供电。虽然采用不同的结构适合用来适应可选择的结构，但是 两个EFA级和所有电源102和103都也可以采用相同的设计以简 化同步。电源102和103由控制电路104来控制同步，以提供同步 的电力输出。控制电路确保两个电源102和103产生基本上相同的 同步同相输出电压，以使得电极107和109之间的电位差基本上保 持恒定(例如，没有交流电压分量或仅有非常小的交流电压分量)。 (注意：尽管术语“同步的”通常包括信号间的频率和相位一致， 但是通过术语“同相”进一步强调了相位校准要求，其中“同相” 要求信号在相关位置相互同相，该相关位置例如是应用到和出现在 每个级的位置)。保持该电位差恒定(也就是，最小化或消除所有交 流电压分量)限制或消除电极107和109之间的所有电容性电流到 可接受的值，例如，通常小于1毫安，优选小于100微安。
可以参照图2A和2B中所示的波形来看到相邻EPA级的电极 之间的寄生电容性电流的减小情况。如图2A所示，电极107上的 电压V1(图1B)和电极109上的电压V2同步且同相，但是直流振 幅未必相同。因为完全同步，所以电极107和109上的电压之间的 差值V1-V2几乎恒定，这表示信号间仅有直流偏置值(也就是， 没有交流分量)。流过耦合在电极107和电极109之间的电容的电 流Ic和通过该电容的电压随时间变化率(dV/dt)成比例：
Ic＝C*[d(V1-V2)/dt]。
从该关系式可以直接得出，如果通过所有电容的电压都保持恒 定(也就是，没有交流分量)，则没有电流流过该路径。另一方面， 如果电压变化快的话(也就是，d(V1-V2)/dt很大)，即使很小的电压 变化也会产生较大的电容性电流。为了避免过量电流流过相邻EFA 级的不同电极，施加到这些相邻级的电极的电压应当同步且同相。 例如，参照图2B，电晕电压V1和V2略微有些不同步，从而导致 在差值中出现小的交流电压分量，d(V1-V2)/dt。该小的交流电压分 量导致相邻EFA级之间流过很大的寄生电流Ic。本发明的一个实 施例包括对施加到所有级的电力进行同步以避免级间出现电流。
相邻EFA级的电极之间的最短间距可以大约如下估计。注意 到，典型的EFA在相当窄的电压范围内进行有效操作。施加到相 同级的电晕放电和集电电极之间的电压Vc应当超过所谓的用于准 确操作的电晕启动电压Vonset。也就是，当电压Vc小于Vonset时， 不会出现电晕放电，并且不会产生空气运动。同时，Vc不应当超 过介电击穿电压Vb，以避免放电。根据电极几何设计和其它条件， Vb可以比Vonset的两倍还大。对于典型的电极结构，Vb/Vonset的比 率大约是1.4～1.8，以使得所有特定电晕放电电极距离相邻集电电 极的距离都不应当处于会产生“负效电晕”的位置。因此，相邻级 的最接近电极之间的标准化距离aNn应当比相同级的电晕放电和 集电电极之间的标准化距离“aNc”大至少1.2倍且优选比距离 “aNc”大不超过2倍。也就是，相邻级的电极的间距应当设置成 确保电极之间的电压差小于相邻级的所有电极的电晕启动电压。
如果未满足上述条件，则所需的结论是相邻级要比满足上述条 件的情况相互相距更远更宽。级间增加的间距会导致严重影响空气 运动的一些条件。例如，相邻级之间增加的间距会导致更长的通道， 因此导致对空气流的阻力变大。EFA的总体尺寸和重量也会增加。 利用同步且同相的HVPS，因为允许HFA级之间的间距减小而不 会减小效率或者增加产生瞬间放电，从而可以避免这些消极因素。
参照图3，两个级EFA300包括一对变换器，该变换器采用关 联到对应的第一和第二级312和313的HVPS301和302的形式。 两个级基本上相同，且通过相同HVPS301和302来供以电源。 HVPS301和302包括各自的脉宽调制(PWM)控制器304和305、功 率晶体管306和307、高压电感器308和309(也就是，变压器或者 滤波扼流圈)和倍压器320和321，每个倍压器包括整流器电路310 和311。HVPS301和302提供电源给级312和313的对应EFA电 晕放电电极。如前所述，尽管示意性示出级312和313的EFA电 极为单对的一个电晕放电电极和一个加速器(或吸引器)电极，但是 每个级通常可以包括多对构造成二维阵列的电极。PWM控制器304 和305产生(并在引脚7提供)高频脉冲给对应功率晶体管306和 307的门极。这些脉冲的频率由对应RC定时电路来确定，其中RC 定时电路包括电阻器316和电容器317，以及电阻器318和电容器 319。通常而言，级之间的这些部件的参数值的微小差别导致两个 HVPS级的操作频率略有不同，其中HVPS级通常提供的输出电压 在50赫兹至1000干赫兹范围内。然而，仅是很小的频率变化也会 导致EFA300的级312和313出现不同步操作。因此，为了确保电 源301和302可以同步且同相(也就是，零相移或差)操作，控制器 305经包括电阻器315和电容器314的同步输入电路从PWM控制 器304的引脚1进行连接以接收同步信号脉冲。该结构使得PWM 控制器305和PWM控制器304同步，以使两个PWM控制器输出 电压脉冲同步(相同频率)且同相(相同相位)。
图4A和4B是两级EFA装置的两种不同结构的横截面图。虽 然仅示出两个级，但是详细示出的原理和结构都是等同的。参照图 4A，第一EFA装置411包括两个串联或串列级414和415。第一 级414包含在第一垂直列中对齐的多个平行的电晕放电电极401 以及在第二列中对齐的集电电极402，其中第二列平行于电晕放电 电极401的列。横截面示出的所有电极都是纵向延伸进入该页面以 及从该页面延伸而出。电晕放电电极401可以是所示的导电导线的 形式，但是还可以采用其它结构。集电电极402示出的为水平拉长 的导电棒。这再次是为了说明的目的；可以采用其它几何设计和结 构来匹配本发明的多个实施例。第二级415类似地包含一列对齐的 电晕放电电极403(也是示出为垂直于该页面延伸的细导电导线)和 集电电极404(再次示出为棒)。所有电极都安装在空气通道405内。 EFA411的第一和第二级414和415由分别单独的HVPS(未示出) 来供电。这些HVPS同步且同相，从而第二级415的电晕放电电极 403可以以离第一级414的集电电极402尽可能最靠近的标准化距 离设置，而不会不利地影响和降低EPA性能。
为了说明的目的，我们假设施加到相邻级的电极414和415 的所有电压和电压分量(例如，交流和直流)都是相等的。还假设高 压施加到电晕放电电极401和403，以及集电电极402和404接地， 也就是，相对于施加到电晕放电电极401和403的高压，(电极402 和404)保持在普通接地电位。所有电极都设置成平行垂直列，不 同级的对应电极水平对齐，并且从交错列的本自身级的补充电极垂 直偏置。电晕放电电极401和最接近的垂直相邻集电电极402的引 导边缘之间的标准化距离410等于aN1。第二级的电晕电极403和 第一级的集电电极402的后面边缘之间的标准化距离aN2(413)应 当比aN1大一些距离aN2，实际距离要依赖于施加到电晕放电电极 的具体电压。无论如何，aN2都应当比aN1要大，也就是，在1 至2倍距离aN1的范围内，更优选为1.1至1.65倍aN1，进一步 更为优选为大约1.4倍aN1。特别是，如图4A所示，距离aN2大 出的距离只要能够避免在电晕驱动电压之间的电压产生电流流过 其中即可。让我们假设该标准化“stant”距离aN2等于1.4×aN1。 然后相邻级之间的水平距离412小于距离aN2(413)。如图所示， 当相邻级的相同类型的电极设置在在一个平面420中时，级间间距 得以最小化(如图4A所示)。平面420可以限定为正交于包含了电 晕放电电极边缘平面(平面417也基本上正交于图4A所示的气流方 向)的平面。如果相邻级的相同类型的电极位于不同但平行的平面 中，例如平面421和422(如图4B所示)，则获得的相邻EFA级的 电极之间的最小间距等于aN2，如线419所示。注意到，线419的 长度和距离413(aN2)相同，且大于距离412，以增大级间间距。
图5示出EFA501的结构，其包括一对分别由单独的电源502 和503供电的EFA级516和517。第一EFA级516包括形成级516 内的一对补充电极的电晕放电电极507和集电电极508。第二EFA 级517包括形成第二对补充电极的电晕放电电极509和集电电极 510。两个EFA级516、517和所有电极507～510都以示意性方式 示出。根据一种实施方式，EFA级516和517以串列方式设置， 其中级517沿所需气流方向设置在级516的正后方。集电电极508 的后面边缘(或者集电电极阵列的后面边缘)隔离于电晕放电电极 509的引导边缘(或者电晕放电电极阵列的引导边缘)，隔离间距在 1至10厘米之间，具体间距要依赖于操作电压。
第一EFA级516由电源502供电，而紧随其后的(或者沿气流 方向的下一个)第二EFA级517由相反极性的电源503来供电。也 就是，当电晕放电电极507相对于集电电极508供以“正”电压， 则第二EFA级517的电晕放电电极509供以“负”电压(也就是， 对于时变信号，例如和提供到集电电极508的电压同相且和电晕放 电电极507反相或失相的电压)。相反，集电电极510供以“正” 电压，也就是，该电压和提供到电晕放电电极507的电压同相。(注 意到，短语“正电压”和“负电压”用于对两个电源端进行相对指 定而不是绝对的。)
重要的是，电极508和509的电压电位在所有特定时刻都是相 互相同的或者相近的。两个EFA级和两个电源502和503都是相 同的设计，以便简化同步，虽然采用不同的结构适合用来适应可选 择的结构。电源502和503由控制电路504来控制同步，以提供同 步的电力输出。控制电路确保两个电源502和503产生基本上相同 的同步同相输出电压，以使得电极508和509之间的电位差基本上 保持恒定(例如，交流电压分量为零或仅有非常小的交流电压分量， 优选为小于100v rms，更优选为小于10v rms)。通过保持该电位差 恒定(也就是，最小化或消除所有交流电压分量)来限制或消除电极 508和509之间的所有电容性电流到可接受的值，例如，通常小于 1毫安，优选小于100微安。也就是，由于
Ic＝C*[d(V1-V2)/dt]
以及由于
dV/dt＝V1sinθ-V2sin(θ+)
(其中是信号间的相位差)
我们可以通过最小化信号间的所有电位差(V1-V2)和相位差 的组合来最小化Ic。例如，由于V1和V2应当在相互的100伏特 以内，更优选为10伏特以内，并且它们应当同相，从而所有相位 差都应当保持在5度以内，更优选为2度以内，甚至更优选为1 度以内。
图6和6A示出当信号间的相位差在0至20度范围内变化时 (图6)，被提供某些恒定电位差的两个电极之间(在这种情况下，一 个电极保持在1000伏特rms，而另一个电极保持在1000加0、10、 25、50、100和200伏特)的以伏特计数的最大瞬时电位差的曲线 图，其中零至一度相位差之间的变化细节示出在图6A中。如图所 示，在这种高压下，即使很小的相位差也会导致在电极之间产生大 幅度的最大瞬时电压电平。在零度加上相位差的一半(也就是，/2) 的相位，以及在180度相位(也就是，180°+/2)之后沿相反极性方 向，会出现最大瞬时电位差。
应当注意到，关于对应集电电极的不同级的电晕电极的极性可 以相同(也就是，正极性)或者交替变化(例如，在第一级为正极性， 在第二级为负极性，在第三级为正极性，依此类推)。
总之，本发明的实施例在多种结合中采纳了满足以下三个条件 中的一个或多个条件的结构：
1.相邻EFA级的电极被提供基本相同的电压波形，也就是， 相邻电极上的电位应当具有基本相同的交流分量。那些交流分量的 振幅和相位应当接近或者相同。
2.相邻EFA级应当紧密靠近，相邻级之间的间距受到限制， 并且由正好足以避免或最小化相邻级的电极之间的所有电晕放电 的距离来决定。
3.相邻级的相同类型的电极应当位于相同平面，该平面正交于 设置电极(或者电极引导边缘)的平面。
应当注意和理解的是，本说明书中提及的所有公开物、专利和 专利申请都表示本发明所属的技术领域的现有技术水平。所有公开 物、专利和专利申请都在此被结合，从某种程度上讲，每个单独的 公开物、专利或专利申请都特定地且单独地表示为整体结合作为参 考。
相关申请
本申请是以下美国专利申请的部分续延申请：2002年7月3 日申请的、标题为“Electrostatic Fluid Accelerator For And A Method Of Controlling Fluid Flow”、申请号为10/188,069；2004年3月23日申 请的、相同标题的、申请号为10/806,473，本申请还涉及以下美国 专利申请：1999年10月14日申请的、标题为“Electrostatic Fluid Accelerator”、申请号为09/419,720、当前美国专利号为6,504,308； 2002年6月21日申请的、标题为“Method of and Apparatus of Electrostatic Fluid Acceleration Control of a Fluid Flow”、申请号为10/175,947、当前 美国专利号为6,664,741；2002年7月3日申请的、标题为“Spark Management Method And Device”、申请序列号为10/187,983；2002年 11月18日申请的、标题为“Electrostatic Fluid Accelerator”、申请号 为10/295,869，该申请又是1998年10月16日申请的、申请序列 号为60/104,573的美国专利申请的续延申请；2003年12月2日申 请的、标题为“Corona Discharge Electrode and Method of Operating Same”、 申请序列号为10/724,707；2003年12月15日申请的、标题为“Method of and Apparatus for Electrostatic Fluid Acceleration Control of a Fluid”、申请 序列号为10/735,302；以及2004年1月8日申请的、标题为 “Electrostatic Air Cleaning Device”、申请序列号为10/752,530；上述这 些美国专利申请的整个内容在此得以结合作为参考。