CN101577397A - 一种高速、大面积离子风的激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速、大面积离子风的激励装置，包括离子风激励区筒体及两端的入口和出口，筒体内设置有多级串联的针－环电极，其特征在于，后一级的针电极和前一级的环电极组合为一个整体的多针环电极，每两级多针环电极的针电极与环电极之间组成电极间距；每两级多针环电极的环电极之间分别通过一个导体与筒体外的限流电阻串联，然后再与一个分压电容器并联构成一个放电回路，各分压电容器之间相互串联，与靠近入口的环电极连接的分压电容器连接直流高压源，与靠近出口环电极连接的分压电容器接地，靠近出口的环电极不设针电极，直接通过导体接地。本发明可获得高速、大面积的离子风，可应用于强化传热、微型气体泵以及空气净化等多个领域。

Description

一种高速、大面积离子风的激励装置

技术领域

本发明涉及应用于强化传热、微型气体泵等方面的离子风激励装置，特别涉及一种用于产生高速、大面积离子风的串级针-环电极离子风激励装置。

背景技术

离子风，即“电诱导二次流”，指在不均匀电场中，当放电发生时，相对曲率较大电极附近产生大量离子射流运动时，离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动，形成的由曲率较大电极到曲率较小电极方向的流体运动。空气中电晕放电产生离子风具有强化传热、微型气体泵、附面流体控制以及空气净化等多方面的应用前景。而目前国内外的研究仅局限于获取局部高速的离子风，未能得到大面积、大流量的高速离子风，使其在实际应用中很难发挥离子风在强化传热、微型气体泵等方面的各种效应。

在直流高电压作用下，采用单针-板、单针-环电极产生离子风具有装置简单、能效高的特点，但是单针周围产生电晕放电的区域有限，因而放电产生的离子风的作用范围也是有限的。采用多针-环电极可以在较大面积产生离子风。通过几个多针-环电极离子风激励器的逐级串联可实现带电粒子动能的积累，从而获得远高于单个多针-环电极离子风激励器产生的离子风速度，大大提高了离子风的实用性。

目前国外学者采用的串级离子风激励装置如图1中所示，每级针电极位于管剖面的几何中心，环电极嵌入管壁内侧，所有针电极并联接在负极性直流高压源-HV上，环电极均可靠接地。玻璃管前后端分别装有入口和喷嘴，用于提高产生的离子风速度。该套装置采用单一直流高压源对地的模式，前一级的环电极与后一级的针电极间的电场方向与各级内部的电场梯度方向是相反的，前后级离子风激励器间的电场将相互影响，不利于充分发挥多级串联的速度积累的效应，且采用单针-环电极，产生的离子风的作用范围也是有限的。因此必须设计合理的离子风激励装置以及相应的电源连接系统，以保证各级离子风激励器间的电场不相互影响，且各级的分压分配均匀，这样才能使各级实现均匀、稳定放电，在其共同作用下产生高速、大面积的离子风。

发明内容

针对现有离子风激励装置的速度较低以及作用面积小的问题，本发明的目的在于提供一种串级多针-环电极离子风激励装置，采用该离子风激励装置能获得高速、大面积的离子风。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种高速、大面积离子风的激励装置，包括离子风激励区筒体及两端的入口和出口，筒体内设置有多级串联的针-环电极，其特征在于，后一级的针电极和前一级的环电极组合为一个整体的多针环电极，每两级多针环电极的针电极与环电极之间组成电极间距；每两级多针环电极的环电极之间分别通过一个导体与筒体外的限流电阻串联，然后再与一个分压电容器并联构成一个放电回路，各分压电容器之间相互串联，与靠近入口的环电极连接的分压电容器连接直流高压源，与靠近出口的环电极连接的分压电容器接地，靠近出口的环电极不设针电极，直接通过导体接地。

上述方案中，所述多针环电极包括环电极和针电极，环电极朝向圆心设置有多个沿周向均布的柱体，柱体顶端设有凹槽，凹槽中镶嵌针电极。所述针电极为4～8个。

所述多级串联的针-环电极为4～8级。

所述多针环电极的电极间距为3～10mm。

本发明用于产生高速、大面积离子风的激励装置与现有单针-环电极离子风激励装置相比，具有以下优点：

1、采用串级多针-环电极形式，在各个针电极产生的高速离子风作用区间互不干扰的情况下，充分发挥各个针电极在流动控制方面的作用，可以扩大离子风作用范围，得到大面积的离子风作用区域。通过多个多针-环电极的逐级串联实现带电粒子动能的积累，从而获得远高于单针-环电极离子风激励器产生的离子风速度。

2、系统将下一级的针电极和前一级的环电极合成为一个整体，充分利用了有机玻璃管的轴向长度，减少了由于设计不紧凑导致的管壁和空气的阻力。

3、采用多级电容器串联分压的形式，在电晕放电产生前后每一级多针-环电极的分压都大致相同，且电容器为电晕放电的脉冲电流提供放电通道，使放电回路中电流更易维持，放电更加稳定。

4、采用多级电容器串联分压的电源形式，在离子风激励装置内部沿着有机玻璃管的轴向，电场梯度方向是完全一致的，这有利于带电粒子在电场中的迁移和动能的积累，使得离子风速度得到提升。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为目前常用的产生高速离子风的串级单针-环电极激励装置的结构示意图。

图2为本发明的串级多针环电极离子风激励装置的轴向剖面图(四级)。

图3为图2中多针环电极的一种结构图。

图4为图2中多针环电极的另一种结构图。

图5为采用图2串级多针环电极离子风激励装置的并联组合离子风加速系统图。

图1-图5中：1、入口；2、离子风激励区；3、出口；4、筒体；5、环电极；6、针电极；7、导体；8、槽；9、柱体；10、多针环电极；11、12、连接导线；R、限流电阻；C、分压电容器；Rc、电容器体电阻。

具体实施方式

实施例1

如图2，图3所示，本发明的用于产生高速、大面积离子风的一种串级多针-环电极离子风激励装置，将四个多针环电极10、一个环电极5镶嵌在内径为19mm，壁厚为5mm，长度为21mm的有机玻璃筒体4内。采用的针电极6均为尖端直径50μm左右的钢针，由普通钢针经电化学腐蚀法制得。环电极5材质为黄铜，内部加工出4个高为3mm的柱体9(沿周向均匀分布)，在其顶端留有宽为0.8mm，深为1mm的凹槽8，用于装设针电极6。多针环电极10由原来后一级的针电极6和前一级的环电极5合成为一个整体，充分利用了有机玻璃管的轴向长度，减少了由于设计不紧凑导致的管壁和空气的阻力。每两级多针环电极的环电极5分别通过一个导体7与限流电阻R串联，然后再与一个分压电容器C并联，组成四个串联的分压装置，与靠近入口的环电极连接的分压电容器C连接直流高压源-HV，与靠近出口的环电极连接的分压电容器C接地，靠近出口环电极5不设针电极6，直接通过导体7接地。

采用多级电容器串联分压的形式，在电极起晕之前，由于电容器体电阻Rc的作用，每一级均匀分压，电容器C充电；当直流电源-HV逐渐升压时，一级或多级达到电极的起晕电压的时候，针-环电极之间出现放电电流，电流有效值约为几十至几百μA，电容器C内积蓄的大量电荷通过放电回路释放，使放电回路中电流更易维持，放电更加均匀。

由于各级针环电极10在尺寸参数上是相同的，放电特性基本一致。如果在升压的过程中各级恰好同时起晕，则在放电等离子体等效电阻、限流电阻R以及电容器体电阻Rc共同作用下，每级电压分配均衡，均能实现稳定放电；如果由于放电的分散性，某一级先起晕，在放电等离子体等效电阻和限流电阻共同作用下，该级总电阻低于其他未起晕电级，这使得未起晕的电极上分得的电压略高，促使其进一步产生电晕。因此，本发明构造的串级加速系统能够保证在电源电压超过某一数值之后，各级均能实现均匀、稳定放电，在其共同作用下产生高速离子风。

本实施例中，限流电阻R的阻值为8～16MΩ，分压电容器C为额定电压10～50kV，容量1nF～10nF高压陶瓷电容器。

实施例2

如图2，图3所示，本发明的用于产生高速、大面积离子风的另一种串级多针环电极离子风激励装置，将六个多针环电极10、一个环电极5镶嵌在内径为19mm，壁厚为5mm，长度为16mm的有机玻璃筒体4内。采用的针电极6使用耐腐蚀的硅晶体材料由激光蚀刻的加工方法制得，其尖端直径均为5μm左右。

每两级多针环电极的环电极5分别通过一个导体7与限流电阻R串联，然后再与一个分压电容器C并联，组成六个串联的分压装置，与靠近入口的环电极连接的分压电容器C连接直流高压源-HV，与靠近出口环电极连接的分压电容器C接地，靠近出口环电极5不设针电极6，直接通过导体7接地。电极的安装结构级所用元器件的参数和实施例1相同。

由于本实施例针电极6的曲率半径减小到5μm电极间距L为2～3mm，这样每一级的外施电压仅有1～2kV，且每一级有机玻璃管的长度可以相应减小，这样就可以在风阻不变的情况下增加离子风激励装置的级数，则有可能获得更好的流动控制效果和应用的价值。

实施例3

如图2，图4所示，本发明的用于产生高速、大面积离子风的再一种串级多针环电极离子风激励装置，将六个多针环电极10、一个环电极5镶嵌在内径为45mm，壁厚为5mm，长度为16mm的有机玻璃筒体4内。采用的针电极6使用耐腐蚀的硅晶体材料由激光蚀刻的加工方法制得，其尖端直径均为5μm左右。

环电极5材质为黄铜，内部加工出8个高为3mm的柱体9(沿周向均匀分布)，在其顶端留有宽为0.6mm，深为1mm的凹槽8，用于装设针电极6。增大有机玻璃管的内径和每一级针电极6的数量，可以增大离子风的作用范围和控制流体流量。

每两级多针环电极的环电极5分别通过一个导体7与限流电阻R串联，然后再与一个分压电容器C并联，组成六个串联的分压装置，与靠近入口的环电极连接的分压电容器C连接直流高压源-HV，与靠近出口环电极连接的分压电容器C接地，靠近出口环电极5不设针电极6，直接通过导体7接地。电极的安装结构级所用元器件的参数和实施例2相同。

实施例4

如图5所示，采用四个串级管式离子风激励装置并联的方式，将四个图2所示串级多针环电极离子风激励装置径向摆放为正方形，每个串级多针环电极离子风激励装置的环电极5通过引出导体7用连接导线11、12相连，组成一个并联组合离子风加速系统装置。

该系统装置在放电过程中互不干扰，可充分发挥每个串级加速装置产生高速离子风的能力，可以实现从更大面积获得高速的离子风，且单位时间内得到的受控流体的总流量也将更为可观。

Claims (6)

1、一种高速、大面积离子风的激励装置，包括离子风激励区筒体及两端的入口和出口，筒体内设置有多级串联的针-环电极，其特征在于，后一级的针电极和前一级的环电极组合为一个整体的多针环电极，每两级多针环电极的针电极与环电极之间组成电极间距；每两级多针环电极的环电极之间分别通过一个导体与筒体外的限流电阻串联，然后再与一个分压电容器并联构成一个放电回路，各分压电容器之间相互串联，与靠近入口的环电极连接的分压电容器连接直流高压源，与靠近出口的环电极连接的分压电容器接地，靠近出口的环电极不设针电极，直接通过导体接地。

2、如权利要求1所述的高速、大面积离子风的激励装置，其特征在于，所述多针环电极包括环电极和针电极，环电极朝向圆心设置有多个沿周向均布的柱体，柱体顶端设有凹槽，凹槽中镶嵌针电极。

3、如权利要求2所述的高速、大面积离子风的激励装置，其特征在于，所述针电极为4～8个。

4、如权利要求1所述的高速、大面积离子风的激励装置，其特征在于，所述多级串联的针-环电极为4～8级。

5、如权利要求1所述的高速、大面积离子风的激励装置，其特征在于，所述多针环电极的电极间距为3～10mm。

6、如权利要求1所述的高速、大面积离子风的激励装置，其特征在于，所述分压电容器为容量1nF～10nF，额定电压10～50kV高压陶瓷电容器。

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