用于向燃燒容積施加電場的系統(tǒng)和裝置制造方法
【專利摘要】根據(jù)實施方式，在燃燒容積中的燃燒受到至少兩個順序施加的非平行電場的影響。根據(jù)實施方式，燃燒容積被配備了至少三個單獨可調(diào)制的電極。根據(jù)實施方式，用于燃燒容積的電場施加裝置包括用來減少或消除危險的安全裝置。
【專利說明】用于向燃燒容積施加電場的系統(tǒng)和裝置
[0001]背景
[0002]電場可以被施加到火焰上?；鹧婵梢酝ㄟ^改變它的行為(比如通過提高它的熱量釋放速度)做出響應(yīng)。
[0003]概述
[0004]根據(jù)實施方式，系統(tǒng)可以提供被配置成從火焰的附近通過或從火焰中穿過的多個電場軸。
[0005]根據(jù)實施方式，大于兩個的多個電極可以選擇性地產(chǎn)生大于兩個的穿過火焰或從火焰附近通過的多個電場軸。根據(jù)實施方式，至少一個可選擇的電場軸和至少一個其他可選擇的電場軸可以呈一定角度而不是相互平行或相互反平行。
[0006]根據(jù)實施方式,控制器可以依次選擇燃燒容積(combustion volume)中的電場配置。大于兩個的多個電極驅(qū)動器可以驅(qū)動燃燒容積中的有序的電場配置。根據(jù)實施方式，控制器可以周期率驅(qū)動有序的電場配置。
[0007]根據(jù)實施方式，多個電場調(diào)制狀態(tài)可以以等于或大于約120Hz的周期性頻率被依次產(chǎn)生。根據(jù)實施方式，多個電場調(diào)制狀態(tài)可以以等于或大于約IkHz的頻率被依次產(chǎn)生。
[0008]根據(jù)實施方式，燃燒容積中的電場狀態(tài)的調(diào)制頻率可以隨著燃料輸送速度、氣流速度、需要的能量輸出速度、或其他需要的操作參數(shù)而變化。
[0009]根據(jù)實施方式，算法可以被用來確定電場調(diào)制狀態(tài)的一種或多種序列的一個或多個特性。所述算法可以是輸入變量和/或探測到的變量的函數(shù)。所述輸入變量可以包括燃料輸送速度、氣流速度、需要的能量輸出速度和/或另外的操作參數(shù)。
[0010]根據(jù)實施方式，電場控制器可以包括被配置成根據(jù)輸入變量和/或探測到的變量來確定燃燒容積中的電場調(diào)制狀態(tài)的序列的模糊邏輯電路。所述輸入變量可以包括燃料輸送速度、氣流速度、需要的能量輸出速度、和/或另外的操作參數(shù)。
[0011]根據(jù)實施方式，相關(guān)的系統(tǒng)包括但不限于用來提供方法實施例的電路和/或程序設(shè)計。硬件、軟件和/或固件的組合可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計者的喜好來配置。
[0012]附圖簡述
[0013]圖1是根據(jù)實施方式的被配置用于施加時變電場的燃燒容積的圖。
[0014]圖2A描繪了根據(jù)實施方式的對應(yīng)圖1的燃燒容積在第一時間的電場。
[0015]圖2B描繪了根據(jù)實施方式的對應(yīng)圖1的燃燒容積在第二時間的電場。
[0016]圖2C描繪了根據(jù)實施方式的對應(yīng)圖1的燃燒容積在第三時間的電場。
[0017]圖3是根據(jù)實施方式的被配置成提供穿過燃燒容積的時變電場的系統(tǒng)的框圖。
[0018]圖4是根據(jù)實施方式的被配置成提供穿過燃燒容積的時變電場的系統(tǒng)的框圖。
[0019]圖5是根據(jù)實施方式的用來控制電極調(diào)制的時序圖。
[0020]圖6是根據(jù)實施方式的說明用來控制電極調(diào)制的波形的圖。
[0021]圖7是根據(jù)實施方式的說明用來控制電極調(diào)制的波形的圖。
[0022]詳細(xì)描述
[0023]在下面的詳細(xì)描述中，對附圖進行了參考，附圖構(gòu)成了本文的一部分。在附圖中，除非文中另做規(guī)定，否則相似的符號通常標(biāo)識相似的部件。在詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求中描述的示例性實施方式不是旨在限定?？梢允褂闷渌膶嵤┓绞胶?或在不背離本公開的精神和范圍的情況下做出其他的改變。
[0024]圖1是根據(jù)實施方式的帶有系統(tǒng)101的燃燒容積103的圖，系統(tǒng)101被配置成用來對燃燒容積103施加時變電場。燃燒器噴嘴102被配置成支撐燃燒容積103中的火焰104。例如，燃燒容積103可以構(gòu)成鍋爐(比如水管鍋爐或火管鍋爐)、熱水箱、火爐、烤箱、暖氣管、排氣管、爐灶頂部、或相似物的一部分。
[0025]至少三個電極106、108以及110被布置在燃燒容積103的附近或內(nèi)部，以便通過向電極施加電壓信號可形成在整個燃燒容積103中的在火焰104的附近或穿過火焰104的電場，火焰104被燃燒器噴嘴102支撐在燃燒容積103內(nèi)。電極106、108以及110可以分別被相應(yīng)的引線112、114以及116供電，這些引線可以從控制器和/或放大器(未示出)接收電壓信號。
[0026]雖然燃燒器噴嘴102被示出為簡化的中空圓筒，但是多個可選擇的實施例可以被考慮。雖然燃燒器102和電極106、108、以及110被示出為具有各自的形式和幾何關(guān)系，但是其他的幾何關(guān)系和形式可以被考慮。例如，電極106、108、110可以具有除了圓筒形以外的形狀。根據(jù)一些實施方式，燃燒器噴嘴102可以被供電以形成電極中的一個。根據(jù)一些實施方式，多個噴嘴102可以支撐燃燒容積103中的多個火焰104。
[0027]根據(jù)實施方式，第一多個電極106、108、110可以支持第二多個電場軸,所述電場軸在整個燃燒容積103中、在至少一個火焰附近或通過至少一個火焰。根據(jù)例子101，一個電場軸可以在電極106和電極108之間形成。另一個電場軸可以在電極108和電極110之間形成。還有另一個電場軸可以在電極106和電極110之間形成。
[0028]圖1的示例性實施方式可以根據(jù)應(yīng)用在比例上相當(dāng)大地變化。例如，在相對較小的系統(tǒng)中，燃燒器102的內(nèi)徑可以大約是I厘米，而且電極106、108、110之間的距離可以大約是1.5厘米。在稍大一些的系統(tǒng)中，例如，燃燒器102的內(nèi)徑可以大約是1.75英寸，而且電極之間的距離可以大約是3.25英寸。其他的尺寸以及燃燒器的大小和電極間距之間的比例是可以考慮的。
[0029]根據(jù)實施方式，算法可以提供用于電極106、108、110的電壓序列。算法可以提供實質(zhì)上不變的電場狀態(tài)序列或者可以使用一組可變的可用電極提供可變的電場狀態(tài)序列等等。雖然許多算法可以被考慮用于提供許多電場狀態(tài)序列，但是用于這三個示例性電極106、108、110的一種簡單的電場序列在圖2A-2C中示出。
[0030]圖2A是根據(jù)實施方式的至少瞬間在第一時間在電極106和電極108之間形成的標(biāo)稱電場204的描繪圖202。電場204被描繪成使電極106保持在正電位而電極108保持在負(fù)電位，以致燃燒容積103中的電子和其他帶負(fù)電荷的物質(zhì)趨于流動遠(yuǎn)離電極108并流向電極106。類似地，燃燒容積103中的正離子和其他帶正電荷的物質(zhì)趨于流動遠(yuǎn)離電極106并流向電極108。
[0031]燃燒容積103中的火焰104可能包括多種帶電的和不帶電的物質(zhì)。例如，能對電場做出響應(yīng)的帶電物質(zhì)可能包括電子、質(zhì)子、負(fù)離子、正離子、負(fù)粒子、正粒子、帶負(fù)電荷的燃料蒸汽、帶正電荷的燃料蒸汽、帶負(fù)電荷的燃燒產(chǎn)物、帶正電荷的燃燒產(chǎn)物等等。這些帶電物質(zhì)可能存在于燃燒過程中的各個時間和各個點。此外，燃燒容積103和/或火焰可能包括不帶電的燃燒產(chǎn)物、未燃燒的燃料、以及空氣?；鹧嬷械湫偷卮嬖诘膸щ娢镔|(zhì)通常使火焰有很高的導(dǎo)電性。燃燒容積103的在火焰104之外的區(qū)域可能是相對非導(dǎo)電的。因此，在有火焰104存在時，標(biāo)稱電場204可以被表示成將火焰104中的帶負(fù)電荷的物質(zhì)向著靠近電極106的火焰體積吸引，同時將火焰104中的帶正電荷的物質(zhì)向著靠近電極108的火焰104的體積吸引。
[0032]忽略其他的影響，向著靠近電極108的火焰104的部分吸引帶正電的物質(zhì)可趨于增加電極108附近的火焰104的質(zhì)量密度。還需要了解的是對火焰施加電場能提高燃燒的速度和完全性。
[0033]圖2B是根據(jù)實施方式的至少瞬間在第二時間在電極108和電極110之間形成的標(biāo)稱電場208的描繪圖206。電場208被描繪成使電極108保持在正電位而電極110保持在負(fù)電位，以致燃燒容積103中的帶負(fù)電荷的物質(zhì)趨于流動遠(yuǎn)離電極110并流向電極108 ；以及，燃燒容積103中的帶正電的物質(zhì)趨于流動遠(yuǎn)離電極108并流向電極110。
[0034]和圖2A的描述類似，燃燒容積103中的火焰104中的帶正電的物質(zhì)可以向著靠近電極Iio的火焰體積被吸弓丨，同時在火焰204內(nèi)的帶負(fù)電荷的物質(zhì)可以向著靠近電極108的火焰體積被吸引。這可趨于增加電極108和/或電極110附近的火焰104的質(zhì)量密度。
[0035]如果在圖2A中的電場配置202施加之后不久，施加圖2B中的電場配置206，那么從靠近電極108的火焰104的區(qū)域到靠近電極110的火焰區(qū)域的較高質(zhì)量密度的帶正電荷的物質(zhì)的移動，可能會造成火焰104內(nèi)的至少帶正電荷的物質(zhì)的順時針旋轉(zhuǎn)，同時還伴有燃燒的加速。如果帶正電荷的物質(zhì)的相對豐度、相對質(zhì)量、和/或相對漂移速度大于帶負(fù)電荷的物質(zhì)的同種值，那么以相對較快的連續(xù)性施加電場配置202和電場配置206可能會導(dǎo)致火焰104在順時針方向上的凈旋轉(zhuǎn)或凈渦流?？蛇x擇地，如果帶負(fù)電荷的物質(zhì)的相對豐度、相對質(zhì)量、和/或相對漂移速度大于帶正電荷的物質(zhì)的同種值，那么以相對較快的連續(xù)性施加電場配置202和電場配置206可能會導(dǎo)致火焰104在逆時針方向上的凈旋轉(zhuǎn)或凈渦流。
[0036]圖2C是根據(jù)實施方式的至少瞬間在第三時間在電極110和電極106之間形成的電場212的描繪圖210。電場212被描繪成使電極110保持在正電位而電極106保持在負(fù)電位。作為響應(yīng)，燃燒容積103中的帶負(fù)電荷的物質(zhì)趨于流動遠(yuǎn)離電極110并流向電極108 ；并且燃燒容積103中的帶正電的物質(zhì)趨于流動遠(yuǎn)離電極108并流向電極110。
[0037]和圖2A以及圖2B的描述類似，燃燒容積103內(nèi)的火焰104中的帶正電的物質(zhì)可以向著靠近電極106的火焰體積被吸引，而火焰204中的帶負(fù)電荷的物質(zhì)可以向著靠近電極110的火焰體積被吸引。根據(jù)帶正電荷的物質(zhì)和帶負(fù)電荷的物質(zhì)的相對豐度、相對質(zhì)量和相對漂移速度，這可能會增加電極106和/或電極110附近的火焰104的質(zhì)量密度。如果在施加圖2B中的電場配置206之后不久施加圖2C中的電場配置210，那么從靠近電極110的火焰104的區(qū)域到靠近電極106的火焰區(qū)域的較高質(zhì)量密度的移動，可能會產(chǎn)生火焰104中的帶正電的物質(zhì)的順時針旋轉(zhuǎn)和帶負(fù)電的物質(zhì)的逆時針旋轉(zhuǎn)，并伴有燃燒的加速。根據(jù)帶正電的物質(zhì)和帶負(fù)電的物質(zhì)的相對質(zhì)量、相對豐度和相對漂移速度，這可能會產(chǎn)生順時針或逆時針潤流。
[0038]根據(jù)實施方式，例如，當(dāng)物質(zhì)的場反應(yīng)運動被帶正電荷的物質(zhì)支配時，按順序重復(fù)施加標(biāo)稱電場204、208、212可能會加速火焰104從而在火焰中產(chǎn)生順時針渦流或旋渦效應(yīng)。這樣的按順序施加電場可能還會將反應(yīng)物暴露給流動的互補反應(yīng)物流，并且增加反應(yīng)物之間碰撞的可能性從而減少反應(yīng)動力學(xué)中與擴散有關(guān)的限制。減少的擴散限制可趨于提高反應(yīng)速度，從而提高了放熱輸出，因此進一步提高了反應(yīng)速度。更高的溫度和更快的反應(yīng)速度可趨于推動火焰反應(yīng)加快完成以提高離開燃燒容積103的二氧化碳(CO2)相對于比如一氧化碳(CO)、未燃燒的燃料等其他部分反應(yīng)產(chǎn)物的比例。因此，最終的反應(yīng)程度越高越能提供更高的熱量輸出和/或?qū)τ诮o定的熱量輸出減少更多的燃料消耗。
[0039]根據(jù)另一個實施方式，例如，當(dāng)物質(zhì)的場反應(yīng)運動被帶負(fù)電荷的物質(zhì)支配時，標(biāo)稱電場204、208、212的順序重復(fù)施加可趨于加速火焰104以在火焰中產(chǎn)生逆時針渦流或旋渦效應(yīng)。
[0040]雖然圖1和圖2A-2C中的電極配置和電場順序被示出為使用三個電極106、108、110和三個電場軸204、208、212的相對簡單的結(jié)構(gòu)的實施方式，但是對于一些實施方式和一些應(yīng)用，其他的配置可能更優(yōu)選。例如，可能在多于兩個的電極之間同時存在電場。電極的數(shù)目可被顯著增加。電場切換的時序可以被改變、可以被變成非固定間隔、可以被變成可變電位、可以通過反饋控制來通知等等。電極配置可以被顯著地改變，比如被集成到燃燒室的壁、被放置在燃燒室的壁后等等。此外，電極可以被放置成使電場角度在多于一個平面中變化，比如通過將一些電極放置在離燃燒器噴嘴相對較近的地方而另一些電極放置在離燃燒器噴嘴相對較遠(yuǎn)的地方的方式。在其他實施方式中，給定的電極可能被限制成一種狀態(tài)(比如帶正電的狀態(tài)或帶負(fù)電的狀態(tài))外加不帶電的狀態(tài)。在其他實施方式中，所有電極可被限制成一種狀態(tài)(比如帶正電的狀態(tài)或帶負(fù)電的狀態(tài))外加不帶電的狀態(tài)。
[0041]圖3是根據(jù)一個實施方式的被配置成提供在整個燃燒容積內(nèi)的時變電場的系統(tǒng)301的方框圖。電子控制器302被配置成產(chǎn)生用于驅(qū)動多個電極106、108以及110的多個時變波形。這些波形至少可以部分地由構(gòu)成控制器302的一部分的序列發(fā)生器(未示出)產(chǎn)生。序列發(fā)生器可以由軟件算法、狀態(tài)機等等構(gòu)成，它可以被可操作地耦合到輸出節(jié)點306。波形經(jīng)一個或多個信號線306被傳送至放大器304。放大器304把波形放大到用來通過相應(yīng)的電極引線112、114、以及116向電極106、108、以及110供電的相應(yīng)電壓。
[0042]根據(jù)實施方式，波形可以由控制器302以恒定的頻率產(chǎn)生。根據(jù)實施方式，所述恒定的頻率可以是固定的頻率或可選擇的頻率。根據(jù)另一個實施方式，波形可以以非恒定的頻率產(chǎn)生。例如，非恒定的周期或周期的一段可以幫助提供擴頻場序列，并且可以幫助避免諧振狀態(tài)或其他的干擾問題。
[0043]根據(jù)示例性實施方式，電極驅(qū)動波形可以在大約IkHz產(chǎn)生。根據(jù)另一個實施方式，電極驅(qū)動波形可以用對應(yīng)于約IOkHz的周期產(chǎn)生。根據(jù)另一個實施方式，電極驅(qū)動波形可以用大約20kHz的頻率產(chǎn)生。根據(jù)示例性實施方式，放大器304可以驅(qū)動電極106、108、以及110到大約900伏。根據(jù)另一個實施方式，放大器304可以驅(qū)動電極106、108、以及110到大約+450伏和-450伏。如在其他地方提到的，周期的部分可以包括斷開電極106、108、以及110中的一個或多個的電路以讓它的電壓“懸空”。
[0044]根據(jù)一些實施方式，可能需要設(shè)置或改變電極106、108、110的電場頻率和/或電壓；和/或提供比如安全聯(lián)鎖、或與火焰有關(guān)的測量、或與電場有關(guān)的測量、或與其他參數(shù)有關(guān)的測量的傳感器反饋。圖4是被配置成接收或傳送至少一個燃燒參數(shù)或電場參數(shù)和/或至少一個傳感器輸入的系統(tǒng)401的方框圖。根據(jù)另一個實施方式,系統(tǒng)401可響應(yīng)性地提供在燃燒容積內(nèi)的在電極106、108、110之間的時變電場，該時變電場隨著至少一個燃燒參數(shù)和/或至少一個傳感器輸入而變化。例如，電場狀態(tài)的調(diào)制頻率和/或電極電壓可隨燃料輸送速度、需要的能量輸出速度、或其他需要的操作參數(shù)而變化。
[0045]控制器302可以比如通過數(shù)據(jù)通信總線406被可操作地耦合到參數(shù)通信模塊402和傳感器輸入模塊404中的一個或多個。參數(shù)通信模塊402可以提供用于更新由控制器302使用的軟件、固件等等的設(shè)備。這些更新可能包括比如能通過建模確定的、能通過以前的系統(tǒng)測量獲知的查找表更新和/或算法更新等。參數(shù)通信模塊402還能被用來實質(zhì)上實時地向控制器302傳送操作參數(shù)。參數(shù)通信模塊402還能被用于從控制器302向外部系統(tǒng)(未示出)傳送操作狀態(tài)、故障情況、固件或軟件版本、傳感器數(shù)值等等。
[0046]傳感器輸入模塊404能通過數(shù)據(jù)通信總線406向控制器302提供感測的數(shù)值。從傳感器輸入模塊404接收到的感測數(shù)值可能包括沒有被外部系統(tǒng)感測到的參數(shù)，因此不能通過參數(shù)通信模塊402得到?？蛇x擇地，從傳感器輸入模塊404接收到的感測數(shù)值可能包括也從外部系統(tǒng)通過參數(shù)通信模塊402報告的參數(shù)。
[0047]比如燃料流速度、煙道氣體溫度、煙道氣體光密度、燃燒容積溫度、燃燒容積亮度、燃燒容積離子化度、一個或多個電極附近的離子化度、燃燒容積打開、燃燒容積保持鎖定、電氣故障等等參數(shù)可從參數(shù)通信模塊402、傳感器輸入模塊404、和/或經(jīng)由通過放大器304的反饋傳送到控制器302。
[0048]電極106、108、110的電壓驅(qū)動在安全條件狀態(tài)達到和/或通過參數(shù)通信模塊402接收到手動關(guān)閉命令時能被切斷。同樣地，系統(tǒng)401中的故障狀態(tài)能被傳送到外部系統(tǒng)以迫使燃料關(guān)閉或進入安全狀態(tài)。
[0049]控制器響應(yīng)于接收到的參數(shù)、反饋、和感測數(shù)值(共同稱為“參數(shù)”)可確定用來驅(qū)動電極106、108、110的波形。例如，這些參數(shù)能被可選擇地組合、比較、微分、積分等等。這些參數(shù)或這些參數(shù)的組合能被輸入到比如算法計算、表查找、比例積分微分(PID)控制算法、模糊邏輯、或其他機制的控制算法以確定波形參數(shù)。所確定的波形參數(shù)可能包括，例如，電極106、108、110的選擇、電極106、108、110的順序、波形的頻率或周期、電極106、108、110的電壓等等。
[0050]例如，這些參數(shù)能根據(jù)對響應(yīng)變量的優(yōu)化來確定，以用來比如最大化來自燃燒容積的熱量輸出，最大化燃燒容積中的反應(yīng)程度，最大化來自燃燒容積的煙道清潔度，最小化來自燃燒容積的污染物輸出，最大化燃燒容積的溫度，滿足燃燒容積中的目標(biāo)溫度，最小化來自燃燒容積中的火焰的發(fā)光輸出，獲得燃燒容積中的火焰的希望的閃爍，最大化來自燃燒容積中的火焰的發(fā)光輸出，最大化燃料效率，最大化功率輸出，補償維護問題，最大化系統(tǒng)壽命，補償燃料變化，補償燃料來源等等。
[0051]根據(jù)實施方式，由控制器302產(chǎn)生的波形能通過一個或多個專用的波形傳輸節(jié)點306被傳送到放大器304。可選擇地，波形能通過數(shù)據(jù)總線406被傳送。放大器304能通過專用節(jié)點306提供狀態(tài)、同步、故障或其他反饋，或者能可選擇地通過數(shù)據(jù)總線406向控制器302和/或參數(shù)通信模塊402傳送狀態(tài)。
[0052]雖然圖3和圖4中的控制器302和放大器304被圖示為分離的模塊，但是它們能被集成在一起。類似地，參數(shù)通信模塊402和/或傳感器輸入模塊404能與控制器302和/或放大器304集成在一起。[0053]根據(jù)實施方式，圖5以時序圖501的形式示出了一組示例性波形，其示出了分別用來控制電極106、108、110的調(diào)制的波形502、504、506。波形502、504以及506中的每一個被示出為沿著表示時間的水平軸與另一個波形對齊，每個都被示出為在高電壓Vh、接地狀態(tài)O、以及低電壓'之間變化。根據(jù)實施方式，波形502、504、506分別對應(yīng)被傳送到電極106、108以及110的供電模式。
[0054]電壓VH、0和\能表示從控制器302通過放大器驅(qū)動線傳送到放大器304的相對低電壓。類似地，電壓νΗ、0和'能表示由放大器304通過相應(yīng)的電極驅(qū)動線112、114、116傳送到各個電極106、108、110的相對大電壓。波形502、504、506能被以周期為P的周期性模式重復(fù)性地提供。在周期P的第一部分508，波形502將電極106驅(qū)動到高電壓而波形504將電極108驅(qū)動到低電壓，并且波形506將電極110驅(qū)動到中間電壓?？蛇x擇地，波形506的部分508 (以及其他波形502、504中相應(yīng)的中間狀態(tài))能表示斷開電極驅(qū)動以使電極電位懸空。
[0055]波形部分508對應(yīng)圖2A中示出的電場狀態(tài)202。也就是Vh被施加到電極106而Vl被施加到電極108以在電極106和電極108之間形成理想的電場204。電極110被允許懸空或保持在中間電位以便在它和其他電極之間產(chǎn)生減弱的電場或?qū)嵸|(zhì)上沒有電場。
[0056]在周期P的第二部分510期間，波形502表示電極106被保持?jǐn)嚅_以“懸空”或可選擇地被驅(qū)動至中間電壓，而波形504將電極108驅(qū)動到高電壓Vh且波形506將電極110驅(qū)動到低電壓波形部分510對應(yīng)圖2B中示出的電場狀態(tài)206。也就是Vh被施加到電極108而\被施加到電極110以在電極108和電極110之間形成理想的電場208。電極106被允許懸空或保持在中間電位以便在它和其他電極之間產(chǎn)生減弱的電場或?qū)嵸|(zhì)上沒有電場。
[0057]在周期P的第三部分512期間，波形504表示電極108被保持?jǐn)嚅_以“懸空”或可選擇地被驅(qū)動至中間電壓，而波形506將電極110驅(qū)動到高電壓Vh且波形502將電極106驅(qū)動到低電壓波形部分512對應(yīng)圖2B中示出的電場狀態(tài)210。也就是Vh被施加到電極110而\被施加到電極106以在電極110和電極106之間形成理想的電場212。電極108被允許懸空或保持在中間電位以便在它和其他電極之間產(chǎn)生減弱的電場或?qū)嵸|(zhì)上沒有電場。在進行到下一部分508時，重復(fù)該周期模式。
[0058]雖然時序圖501中的波形502、504以及506表示周期P的每一個部分508、510以及512中的持續(xù)時間實質(zhì)上相等，但是該周期能被稍微改變或調(diào)整比如以減少諧振效應(yīng)、適應(yīng)燃燒容積103的幾何形狀的變化等。另外地或可選擇地，周期P的持續(xù)時間能被改變。類似地，雖然電壓電平VH、0和 '以彼此實質(zhì)上相等的方式示出，但是它們也能在電極到電極之間、周期部分到周期部分之間、和/或周期到周期之間改變。
[0059]回到圖5中的波形501，可以看到在周期部分508的第一時間點，在對應(yīng)波形502的電極和對應(yīng)波形504的電極之間存在電位差和相應(yīng)的電場。這是因為波形502已經(jīng)將對應(yīng)的電極驅(qū)動至相對的高電位且波形504已經(jīng)將對應(yīng)的電極驅(qū)動至相對的低電位。與此同時，因為波形506已經(jīng)將對應(yīng)電極的電位驅(qū)動至中間電位或已經(jīng)使電路斷開以使電極懸空，所以在對應(yīng)波形502的電極和對應(yīng)波形506的電極之間形成減弱的電場或?qū)嵸|(zhì)上沒有電場形成。類似地，在對應(yīng)周期部分512的第二時間，在對應(yīng)波形502的電極和對應(yīng)波形506的電極之間存在電位差和相應(yīng)的電場，但是在對應(yīng)波形502的電極和對應(yīng)波形504的電極之間存在減小的電位差和減弱的電場，或者實質(zhì)上沒有電位差或電場。
[0060]雖然波形502、504以及506以理想方波的形式被示出，但是波形502、504以及506的形狀可以被改變。例如，上升沿和下降沿能表現(xiàn)為電壓過沖和電壓欠沖；比如通過使用實質(zhì)上恒定的dl/dt電路(可選地帶有加速度)，能使上升沿和下降沿不太陡峭地過渡；或者上述波形能用其他的方法被修改，比如通過運用正弦函數(shù)等方法。
[0061]圖6是圖示根據(jù)另一個實施方式的用來控制電極調(diào)制的波形602、604、606的圖601。例如，波形602、604以及606能從圖5中的對應(yīng)波形502、504、506通過驅(qū)動方波通過R/C濾波器(比如驅(qū)動方波通過特性阻抗)的方式產(chǎn)生?？蛇x擇地，波形602、604以及606能被數(shù)字合成、能被調(diào)諧正弦函數(shù)產(chǎn)生器驅(qū)動等等。
[0062]雖然周期部分508、510以及512可能準(zhǔn)確對應(yīng)或可能不準(zhǔn)確對應(yīng)圖5中的相應(yīng)部分，但是它們能被大體上視為將電極106、108以及110驅(qū)動到如圖2A-2C所示的相應(yīng)狀態(tài)。周期P能由所示的過零點方便地確定，或者能由圖5中示出的相應(yīng)位置計算得出。
[0063]需要了解的是，當(dāng)比如602、604、606的波形驅(qū)動相應(yīng)的電極106、108、110時，圖2A-2C中的理想電場204、208、212可能不能接近地表示當(dāng)使用比如圖5中的502、504、506的波形驅(qū)動相應(yīng)的電極時的實際電場。例如，在周期部分508的開始，波形602從中間電壓O斜著上升至高電壓Vh而波形604從中間電壓O斜著下降至低電壓\，并且波形606從高電壓Vh斜著下降至中間電壓O。因此，在周期部分508的開始，圖2C中的電場212 “漸變”成圖2A中的電場204。在周期部分508的結(jié)束，波形604斜著上升至高電壓而波形606繼續(xù)下降，并且波形602從它的最大值開始下降。這能使電場204向著配置206漸變，同時由于在電極106和電極110之間存在電位，出現(xiàn)了較小的反符號場212。
[0064]回到圖6中的波形601，可以看到，在第一時間點608，在對應(yīng)波形602的電極和對應(yīng)波形604的電極之間存在電位差和相應(yīng)的電場。這是因為波形602已經(jīng)將相應(yīng)的電極驅(qū)動到相對高電位而波形604已經(jīng)將相應(yīng)的電極驅(qū)動到相對低電位。與此同時，因為波形602和波形606瞬間處在同一電位，所以在對應(yīng)波形602的電極和對應(yīng)波形606的電極之間實質(zhì)上沒有電場形成。類似地，在第二時間點610，在對應(yīng)波形602的電極和對應(yīng)波形606的電極之間存在電位差和相應(yīng)的電場，但是在對應(yīng)波形602的電極和對應(yīng)波形604的電極之間沒有電位差或電場。
[0065]圖7是圖示根據(jù)另一個實施方式的用來控制各個電極106、108、110的調(diào)制的波形702、704、706的圖701。波形702的周期P起始于在部分708期間的相對高電壓Vh，該相對高電壓對應(yīng)在電極106的相對高電壓。并且在部分708期間，波形704的周期P起始于相對低電壓該相對低電壓對應(yīng)在電極108的相對低電壓；以及波形706對應(yīng)在電極110的斷開狀態(tài)。波形部分708能被稱為第一脈沖期間。
[0066]在第一脈沖期間708，被驅(qū)動的燃燒容積103中的電場配置可對應(yīng)圖2A中示出的配置202。如之前描述的，配置202的標(biāo)稱電場204可趨于將帶正電荷的物質(zhì)向著電極108吸引而將帶負(fù)電荷的物質(zhì)向著電極106吸引。
[0067]在第一脈沖期間708之后，波形702和波形704驅(qū)動相應(yīng)的電極106和電極108斷開而波形706保持在電極110的開路狀態(tài)。在周期P的部分710期間，電極106、108以及110被保持?jǐn)嚅_并且因此實質(zhì)上沒有電場被施加在火焰或燃燒容積上。然而在前面的第一脈沖期間708，傳到帶電物質(zhì)上的慣性能在非脈沖期間710保持，并且這些帶電物質(zhì)能因此保持運動。這種運動能在名義上沿著在第一脈沖期間708結(jié)束時存在的軌跡，該軌跡通過和其他粒子后續(xù)的碰撞和相互作用而改變。
[0068]在周期P的第一非脈沖部分710的結(jié)尾，第二脈沖期間712開始。在第二脈沖期間712，波形702提供在電極106的斷電狀態(tài)而波形704達到相對高電壓以將電極108驅(qū)動至相應(yīng)的相對高電壓，并且波形706達到相對低電壓以將電極110驅(qū)動至相應(yīng)的相對低電壓。因此在第二脈沖期間712，產(chǎn)生了圖2B中的電場配置206。在這之后又接著波形710的非脈沖部分，在此期間，慣性效應(yīng)能趨于維持在第二脈沖期間712結(jié)束時存在的帶電物質(zhì)的速度和軌跡，該速度和軌跡通過和其他粒子的后續(xù)的碰撞和相互作用而改變。
[0069]在第二非脈沖部分710的結(jié)尾，第三脈沖期間714開始，例如，其能產(chǎn)生類似于圖2C中示出的電場配置210的電場配置。在第三脈沖期間714結(jié)束后，系統(tǒng)可能又進入到非脈沖部分710。這可在多個期間上持續(xù)，諸如以提供周期P部分708、710、712、710、714、710等的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的重復(fù)。
[0070]根據(jù)實施方式，脈沖期間和非脈沖部分能提供大約25%占空比的脈沖序列，如所圖示的，其中大約25%的時間在兩個電極之間存在產(chǎn)生的電場而另外75%的時間沒有施加電場。占空比能根據(jù)燃燒容積103中的條件變化，比如可以通過如圖3和圖4所示的反饋電路和/或參數(shù)輸入電路確定。
[0071]根據(jù)另外一個實施方式，脈沖期間708、712以及714可能每個具有約10微秒的持續(xù)時間而周期P可能約為IkHz頻率(等于I毫秒的周期)。因此，非脈沖部分可能每個約為323.333 微秒。
[0072]特定的帶電物質(zhì)的相對電荷質(zhì)量比能影響其對斷續(xù)的脈沖期間708、712、714和其間的非脈沖部分710的響應(yīng)。為了實現(xiàn)燃燒容積103中的一種或多種帶電物質(zhì)的期望的運動，占空比可以被改變。根據(jù)實施方式，被優(yōu)化以順時針傳送帶正電荷的物質(zhì)的波形702、704,706可和被優(yōu)化以順時針或逆時針傳送另一種帶正電荷的物質(zhì)或帶負(fù)電荷的物質(zhì)的其他波形(未示出)疊加，從而產(chǎn)生第三組波形(未示出)，其實現(xiàn)了在期望的相應(yīng)路徑中傳送不同的物質(zhì)。
[0073]例如，重的帶正電的物質(zhì)可能需要相對較高的50%的占空比以使用相對較長的期間沿著選定的路徑移動。輕的帶負(fù)電的物質(zhì)可能需要相對較低的占空比以使用相對較短的期間沿著選定的路徑移動。這兩種波形能被疊加以相互平行(二者都是順時針或逆時針)或者相互反平行(一個是順時針而另一個是逆時針)地驅(qū)動帶正電的物質(zhì)和帶負(fù)電的物質(zhì)。
[0074]雖然電極106、108、110在上面的圖中被示出為連接任意兩個電極的直線穿過中間的火焰的體積的布置，其他的布置也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。雖然上面的實施方式中示出的電極106、108、110的數(shù)量是三個，但是其他大于三個的數(shù)量也同樣落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。雖然電極106、108、110被表示成平行于燃燒器噴嘴的主軸布置的圓筒形的導(dǎo)體，其他的布置可落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0075]例如，在另一個實施方式中，多個電極實質(zhì)上被布置在立方體的角處，并且包括具有相交于立方體的中心的垂直軸線的有限大小的板，該立方體的中心對應(yīng)被支持的火焰104。在其他實施方式中(未示出)，電極可包括布置在立方體的表面中心、布置在測地球體的表面角落或布置在測地球體的表面中心等位置的表面或具有一定形狀的點。
[0076]本領(lǐng)域的技術(shù)人員需要了解的是，前面具體的示例性過程和/或設(shè)備和/或技術(shù)是本文其他地方講解的更多通用過程和/或設(shè)備和/或技術(shù)的代表，比如在本申請隨附的權(quán)利要求中講解的，以及在其他地方講解的。
[0077]雖然已經(jīng)在此公開了各個方面和各種實施方式，但是可以考慮其他的方面和實施方式。在此公開的各個方面和各種實施方式用于說明目的并且不旨在進行限制，而真正的范圍和精神由下面的權(quán)利要求指示。
【權(quán)利要求】
1.一種裝置，包括: 被配置成靠近燃燒容積的至少三個電極；以及 控制器，其被配置成使用相應(yīng)的波形驅(qū)動所述至少三個電極中的每一個，以產(chǎn)生在整個所述燃燒容積內(nèi)的周期性變化的電場軸。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括: 被配置成支撐在所述燃燒容積內(nèi)的火焰的燃燒器。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述燃燒器被配置為所述電極中的一個。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述至少三個電極被布置在所述燃燒容積內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述至少三個電極被配置成選擇性地在相應(yīng)的電極對之間產(chǎn)生電場。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述至少三個電極被配置成選擇性地產(chǎn)生沿著相應(yīng)的電極對之間的軸線并且通過所述燃燒容積內(nèi)的火焰的電場。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述控制器包括至少三個驅(qū)動器，每個驅(qū)動器被耦合為向所述電極中的相應(yīng)的一個提供時變電壓。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述控制器被配置成驅(qū)動所述電極產(chǎn)生穿過布置在燃燒室中的火焰的旋轉(zhuǎn)電場。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括: 可操作地耦合到所述控制器的參數(shù)通信模塊或傳感器模塊，所述參數(shù)通信模塊或傳感器模塊被配置成向所述控制器提供與燃燒室的特性對應(yīng)的數(shù)據(jù)或信號。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述燃燒室的特性包括選自由以下項構(gòu)成的組的至少一個:燃料流速度、煙道氣體溫度、煙道氣體光密度、燃燒容積溫度、燃燒容積亮度、燃燒容積離子化度、一個或多個電極附近的離子化度、燃燒容積打開、燃燒容積保持鎖定以及電氣故障。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述控制器被配置成在所述控制器接收到對應(yīng)由安全狀況、手動關(guān)閉命令、燃燒容積打開狀態(tài)、燃燒容積保持鎖定狀態(tài)、或電氣故障構(gòu)成的組中的一個或多個的數(shù)據(jù)或信號時，關(guān)閉對所述電極的電壓驅(qū)動。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述控制器被配置成在所述控制器接收到對應(yīng)由安全狀況、手動關(guān)閉命令、燃燒容積打開狀態(tài)、燃燒容積保持鎖定狀態(tài)、或電氣故障構(gòu)成的組中的一個或多個的數(shù)據(jù)或信號時，將故障狀態(tài)傳送到外部系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述控制器被配置成響應(yīng)于所述數(shù)據(jù)或信號來確定對應(yīng)于所述相應(yīng)的波形的一個或多個參數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述控制器被配置成使用選自由以下項構(gòu)成的組的至少一個來確定所述一個或多個參數(shù):對所述數(shù)據(jù)或信號的值進行組合、對所述數(shù)據(jù)或信號的值進行比較、對所述數(shù)據(jù)或信號的值進行微分、對所述數(shù)據(jù)或信號的值進行積分、響應(yīng)于所述數(shù)據(jù)或信號的值執(zhí)行算法計算、執(zhí)行對應(yīng)所述數(shù)據(jù)或信號的表查找、使用所述數(shù)據(jù)或信號運行比例積分微分PID控制算法、以及使用所述數(shù)據(jù)或信號作為輸入來執(zhí)行模糊邏輯。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述一個或多個參數(shù)包括選自由以下項構(gòu)成的組的一個或多個:電極的選擇、電極的順序、波形頻率或周期、波形占空比以及電極電壓。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述一個或多個參數(shù)響應(yīng)于選自由以下項構(gòu)成的組的至少一個準(zhǔn)則被選擇:煙道清潔度、燃料效率、功率輸出、維護問題補償、系統(tǒng)壽命最大化、燃料變化補償以及燃料來源補償。
17.—種方法,包括: 在第一調(diào)制時間，在燃燒容積中的第一電極和第二電極之間形成至少一個第一電場；以及 在第二調(diào)制時間，在所述燃燒容積中的所述第一電極和第三電極之間形成至少一個第二電場。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一電極、所述第二電極以及所述第三電極中的一個包括燃燒器。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中形成至少一個第一電場和至少一個第二電場被重復(fù)且周期性地執(zhí)行。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述周期實質(zhì)上是恒定的。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述周期是變化的。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述周期大約是200微秒或更短。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述周期大約是70微秒或更短。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括: 選擇所述第一電場和所 述第二電場的重復(fù)和周期形成所對應(yīng)的一個或多個參數(shù)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述一個或多個參數(shù)包括下列項中的至少一個:電極電壓、電極選擇、重復(fù)和周期性形成電場的周期、重復(fù)和周期性形成電場的頻率、以及與子周期相比的電場形成的占空比。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述一個或多個參數(shù)是根據(jù)選自由以下項構(gòu)成的組的至少一項選擇的:最大化來自所述燃燒容積的熱量輸出、最大化所述燃燒容積中的反應(yīng)程度、最大化來自所述燃燒容積的煙道清潔度、最小化來自所述燃燒容積的污染物輸出、最大化所述燃燒容積的溫度、滿足所述燃燒容積中的目標(biāo)溫度、最小化來自所述燃燒容積中的火焰的發(fā)光輸出、實現(xiàn)所述燃燒容積中的火焰的期望的閃爍、最大化來自所述燃燒容積中的火焰的發(fā)光輸出、最大化燃料效率、最大化功率輸出、補償維護問題、最大化系統(tǒng)壽命、補償燃料變化、補償燃料來源、最小化諧振效應(yīng)以及適應(yīng)燃燒容積幾何形狀的變化。 26.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括: 根據(jù)至少兩個輸入?yún)?shù)使用選自由以下項構(gòu)成的組的至少一個來計算所述周期和電場強度中的至少一個:對輸入?yún)?shù)進行組合、對輸入?yún)?shù)進行比較、對輸入?yún)?shù)進行微分、對輸入?yún)?shù)進行積分、執(zhí)行算法計算、執(zhí)行表查找、執(zhí)行比例積分微分PID控制算法以及執(zhí)行模糊邏輯。
27.如權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述第一電極和所述第二電極之間有減弱的電場形成或者實質(zhì)上沒有電場形成的同時，所述至少一個第二電場在所述第一電極和所述第三電極之間形成。
28.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述至少一個第一電場和所述至少一個第二電場彼此之間呈除了 0°或180°以外的一個或多個角度。
29.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括:在第三調(diào)制時間，在所述第二電極和所述第三電極之間形成至少一個第三電場。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一電場、所述第二電場或所述第三電場中沒有一個和所述第一電場、所述第二電場和所述第三電場中的其他任何一個平行或反平行。
31.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述燃燒容積包括實質(zhì)上連續(xù)燃燒的火焰。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述第一電場和所述第二電場被布置成至少部分地通過所述火焰。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述第一電場和所述第二電場通過被所述火焰產(chǎn)生的離子物質(zhì)占據(jù)的體積。
34.一種用來控制燃燒容積中的電場的裝置，包括: 電子控制器，其可操作以在至少一個輸出端子輸出對應(yīng)于用于靠近燃燒器的至少一個電極的電壓調(diào)制模式的調(diào)制波形，并且在至少一個第二端子上接收安全信號；以及 所述電子控制器中的安全電路，其可操作以響應(yīng)于所述至少一個第二端子上的狀況來將所述輸出調(diào)制波形驅(qū)動到安全狀態(tài)。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述安全狀態(tài)對應(yīng)所述至少一個第二端子上的實質(zhì)上的接地電壓。
36.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述至少一個輸出端子被配置成將低電壓調(diào)制信號傳送到放大器。
37.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述至少一個輸出端子被配置成傳送來自放大器的高電壓調(diào)制信號。
38.如權(quán)利要求34所述的裝置，還包括被耦合到所述至少一個第二端子的電路，并且耦合到所述至少一個第二端子的所述電路被配置成探測人們可能接觸到所述至少一個電極上的電壓的時間。
39.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述控制器還被配置成在所述安全電路被激活時，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送故障信號。
40.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述控制器還包括: 被配置成驅(qū)動所述調(diào)制波形和接收所述安全信號的狀態(tài)機。
41.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述安全電路包括被配置成運行計算機指令的微計算機的至少多個部分。
42.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述至少一個輸出端子和相應(yīng)的至少一個電極包括三個或更多的輸出端子和相應(yīng)的三個或更多的電極。
43.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述電子控制器還包括: 一個或多個信號端子、數(shù)據(jù)端子、或信號和數(shù)據(jù)端子，其被配置成接收對應(yīng)于所述燃燒容積中的燃燒狀態(tài)的感測值；以及 波形邏輯電路，其被配置成響應(yīng)于所述感測值，確定對應(yīng)于所述波形的一個或多個參數(shù)。
44.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述電子控制器還包括: 一個或多個信號端子、數(shù)據(jù)端子、或信號和數(shù)據(jù)端子，其被配置成接收輸入?yún)?shù)；以及 波形邏輯電路，其被配置成響應(yīng)于所述輸入?yún)?shù)，確定對應(yīng)于所述波形的一個或多個參數(shù)。
【文檔編號】F23Q3/00GK103443548SQ201180069399
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月24日
【發(fā)明者】托馬斯·S·哈特威克, 大衛(wèi)·古德森, 里查德·F·魯特科夫斯基, 杰夫·奧斯勒, 克里斯多佛·A·威克洛夫 申請人:克利爾賽恩燃燒公司