CN101896990A - 用于增强的静电放电的辅助电极 - Google Patents

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Abstract

一般而言，本发明涉及通过使用静电泵来实现高气体流速的方法和设备。根据某些方面，本发明涉及以较低的电压生成增大的离子电流的另外的辅助电极，这导致比电晕风放电更大的泵浦功率。根据进一步的方面，本发明提供了离子的定向发射。这消除了离子的回流，并改善了电-流体功率转换效率和泵浦性能。根据进一步的方面，本发明能使电极直接制造在电介质衬底上，使系统机械上坚固并容易制造。

Description

用于增强的静电放电的辅助电极
对相关申请的交叉引用
本申请要求2007年12月18日提出的美国临时申请No.61/014,694的优先权，此处引用了该申请的全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及使用离子生成的静电泵浦设备和方法，具体来说，涉及使用用于建立离子生成区的新颖的电极排列，而不依赖于电晕电极的小的特征来聚集电场的增强的电晕放电。
背景技术
诸如电晕放电气体泵(即，电晕风)之类的静电流体动力(EHD)气体泵通常包括一个或多个尖(例如，电晕)和钝(例如，收集或中和)电极。在两个电极之间施加电场导致在尖电极附近气体的局部击穿，被称为电晕放电。放电产生被吸引到中和或收集电极的离子。在途中，离子与中性气体分子碰撞，产生类似于由机械风扇所产生的压头和流。由本受让人所共同拥有的共同待审的申请No.11/338,617，12/017,986和12/011,219显著地推进了包括相同的、包括那些利用电晕风技术的EHD泵和冷却设备的技术现状，在这里引用这两个专利申请的全部内容作为参考。
已经进行了某些尝试，以通过各种电极排列来增强电晕放电。一个示例是标题为“Electrode arrangement for cheating[sic]corona”的美国专利No.5,019,709。此专利公开了用于在一个区域上方产生电晕的电极排列。该排列包括电晕驱动部分和与该电晕驱动部分电接触的电晕发射部分。电晕驱动部分的尺寸比电晕发射部分的尺寸大得多，以便在远离电晕驱动部分的方向从电晕发射部分发射来自该电极排列的电晕。电晕发射部分由围绕中心发射元件的一系列阶梯式的，一般而言是同心的，分隔的电晕发射环构成。环和发射元件的位置是这样的，以便在一个圆形区域上方而不是在环形圈上方产生电晕。本发明是包括多个电离区域的复杂电晕电极。
另一个尝试是标题为“Electrostatic fluid accelerator for and amethod of controlling fluid flow”的美国专利No.7,053,565。此专利讨论了对于多级静电泵的“回流”问题。他们的解决方案是使电晕电极上的波形同步。
还有大量的涉及各种两电极几何形状和应用的电晕放电出版物和专利。还有大量的关于介质阻挡放电(DBD)的文献。然而，这些文献中没有哪一个讨论了利用DBD来增强电晕放电电流。
因此，本领域仍需要改进静电放电电流，其中，包括不依赖于复杂的电极几何形状或波形方案的方法和设备。
发明内容
一般而言，本发明涉及通过使用静电泵来实现高气体流速的方法和设备。根据某些方面，本发明涉及以较低的电压生成增大的离子电流的另外的辅助电极，这会导致比电晕风放电更大的泵浦功率。根据进一步的方面，本发明提供了离子的定向发射。这消除了离子的回流，并提高了电流体功率转换效率和泵浦性能。根据进一步的方面，本发明能使电极直接制造在电介质衬底上，使系统机械上坚固并容易制造。
为促进这些及其他方面，根据本发明的各实施例的静电流体动力设备包括被置于尖/钝电极对中的主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，其中，所述电极对被配置为使得当在它们之间施加电场时，在主要尖电极附近发生在电极对之间的气体的局部击穿，这会产生被吸引到钝电极的离子，并且其中，施加于所述一个或多个辅助电极的电功率是独立于施加于所述电极对的所述电场而施加的。
为进一步促进这些及其他方面，根据本发明的各实施例的静电流体动力设备包括主要尖电极、在散热器的散热片中整体地形成的钝电极，被置于所述主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，其中，所述主要尖和钝电极被配置为使得当在它们之间施加电场时，在主要尖电极附近发生在电极对之间的气体的局部击穿，这会产生被吸引到所述钝电极的离子，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成增强所述离子产生。
为更进一步促进这些及其他方面，根据本发明的散热器包括多个分离的散热片和包括下列各项的静电流体动力(EHD)设备：主要尖电极，在相应的散热片上整体地形成的多个钝电极，被置于所述主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，耦接到所述主要尖和钝电极的用于在它们之间建立电场的电压源，以及，耦接到所述一个或多个辅助电极的辅助电压源，其中，所述辅助电压源是独立于电压源受控制的，以便增强在主要和钝电极之间产生的离子。
附图说明
在结合附图阅读了本发明的具体实施例的下列描述之后，本发明的这些及其他方面和特点，对于本领域普通技术人员来说，将变得显而易见，其中：
图1A和1B分别示出了本发明的示例实施例的主要/辅助电极系统和收集电极的透视图和端视图；
图2示出了根据本发明的各实施例的示例自注入机制；
图3示出了根据本发明的各实施例的示例等离子机制；
图4(A)和4(B)示出了根据本发明的主要/辅助电极如何使离子在所期望的方向生成，从而产生更好的泵浦效率。
图5示出了根据本发明的各实施例的用于限制离子电流的方向的凹陷衬底；
图6示出了其中在辅助电极和收集电极之间直接放置了主要电极的替代实施例；以及
图7示出了显示线形的主要以及辅助电极的替代实施例。
具体实施方式
现在将参考附图，详细描述本发明，附图是作为本发明的说明性示例提供的，以便可使本领域的技术人员来实施本发明。值得注意的是，下面的附图和示例没有意将本发明的范围限制于单一实施例，但是，通过互换一些或所有描述的或示出的元素，其它实施例是可能的。此外，本发明的某些元素还可以部分地或完全地使用已知的组件来实现，只描述这样的已知组件的对于理解本发明所需的那些部分，将省略对这样的已知组件的其他部分进行详细描述，以便不至于使本发明变得不清楚。被描述为以软件来实现的实施例不应该仅限于软件，而是可以包括以硬件或软件和硬件的组合来实现的实施例，反之亦然，这对本领域的技术人员是显而易见的，除非此处另作说明。在本说明书中，示出了单个组件的实施例不应该被视为限制性的；相反，本发明意图包含其他实施例，包括多个相同的组件，反之亦然，除非此处明确地声明。此外，申请人不希望说明书或权利要求中的任何术语归于不平常的或特殊含义，除非如此明确地阐述。此外，本发明包含此处通过图例引用的已知组件的现在和将来的已知的等效组件。
根据一个方面，本发明提供了唯一离子生成机制。此方法和设备建立离子生成区域，而不依赖于电晕电极的小的特征来聚集电场。此外，还增大了所生成的离子的数量。
一般而言，本发明的各实施例包括如图1A和1B所示的位于主电极的附近的一组辅助电极。更具体而言，图1A是主要/辅助电极系统和收集电极106的透视图，而图1B是当从一端查看系统时在共同衬底108上提供的主要电极102和辅助电极104的详细视图。
如图1B所示，实施中，辅助电极104刺激主要电极102周围的电离区域。正如下面更加详细地描述的，电极104可以被配置成增大种子电子的产量，用于离子产生电子雪崩，或者被用来产生微弱的等离子。在后一种情况下，等离子被限制在主要电极102周围的小的区域，因为主要/辅助电极和大的接地电极106之间的间隙中的电场强度太微弱，难以维持等离子。
在某些实施例中，主要电极102和辅助电极104的大小大约是5到250μm宽，辅助电极104与主要电极102相隔大约5到250μm。在这样的配置中，从主要/辅助电极系统到大的收集电极106之间的间隙范围从大约0.25到5mm，在主要电极102和收集电极106之间施加的电压范围从大约0到5000V。有许多变体是可能的，这在被教导了这些示例之后，对于本领域的技术人员是显而易见的。衬底108通常是使用诸如石英、玻璃、金属氧化物、聚合物等等之类的介电材料来实现的。
此外，如图1A所示，收集电极106是波状外形，并被配置成散热器的散热片，如共同待审的申请No.12/017,986更详述地描述的。然而，这不是必需的，许多其他配置和电极几何形状都是可以的。
一般而言，辅助电极可以保持在0和5000V之间，独立于主要电极和接地电极。例如，将施加于辅助电极的电压降低到地电势，将该电压提高到超过主要电极电压或振荡辅助电极电压，会给电离区域施加压力到击穿的程度，这是一个自由电子和离子数量非常大的状态。可以通过使用限流电阻器，用电容器替换电阻器，或通过用电介质覆盖辅助电极，来避免等离子弧。此过程比电晕放电产生更多的离子，电晕放电受种子电子产生过程的限制。
配置本发明的辅助电极的一个优点是，它以比电晕放电低的电压产生更多离子。这导致更大的泵浦功率和更大的压头。这可以以多种不同的方式来实现，如结合图2和3更加详细地示出的。一般而言，图2示出了采用自注入机制的示例实施例，其中，大量的种子电子是由辅助电极提供的，这些种子电子还在靠近主要电极的高电场区域启动附加雪崩。图3示出了其中辅助电极在主要电极周围的区域产生等离子的示例等离子机制。等离子是用于增大的电晕放电的离子源。
更具体而言，在如图2所示的示例实施例中，辅助电极104向系统提供种子电子。这种自注入机制与其中种子电子来自接地电极或经过气体分子的光电离的电晕放电不同。种子电子产生在电晕放电中是限制因素。本发明的该实施例将种子电子电流与系统的其他气体电子属性分离，因此，可以对其独立地进行控制和增强。在本发明的本实施例中，种子电子电流主要是由辅助电极104上的电压波形Vaux和几何设计考虑来进行控制的。此种子电子电流确定离子电流。更大的种子电子电流产生更大的离子电流，这会导致更加有效的泵(更大的泵浦作用和更大的压头)。
如上文所描述的，在此配置中提供了Raux，以限制电流，由此可阻止等离子形成。在其中辅助电极104是25mm宽并相隔25mm的一个示例配置中，Vaux是500V，Raux是10MΩ。
作为替代，如图3所示，可以使用辅助电极104来在靠近主要电极102的区域建立微弱的等离子。在本实施例中，等离子是增强的离子电流的源。然后，类似于自注入电子过程，从超出任何电晕过程的这些电极发出大离子电流。在一个示例配置中，其中辅助电极104，Vaux是500V。
本发明的另一个优点是，离子的产生可以被限制在位于主要/辅助电极和收集电极之间的区域。结合图4(A)和4(B)更加详述地对此进行了说明。例如，图4A示出了在所有方向产生离子的电晕放电泵410的示例配置，其中一些抵消了所期望的总的泵浦动作和/或气流的方向。
图4(B)示出了可以由本发明做出的配置，其中，衬底402上安装了主要/辅助电极102/104，这两个电极只在所期望的方向产生离子，导致更好的泵浦效率。在此配置中，离子只能在朝向接地电极106的直接通路上行进。不像在图4(A)的配置中有逆电流和反作用泵浦力。结果，主要/辅助电极的电-流体功率转换效率更高。
图5示出了其中使用凹陷衬底508限制离子电流的方向的另一个可能的配置。更具体而言，离子电流的方向限制不仅限于180°。可以通过将主要/辅助电极102和104凹陷在被掩蔽的衬底508中，在如图5所示的任意窄的射束中引导它。它还可以打开，以超过180°，通过改变衬底508的几何形状，许多其他变体也是可能的。
除了上文所描述的那些配置之外，根据本发明的原理的主要电极和辅助电极的许多其他配置是可能的。在下面的图6和7中示出了本发明的许多可能的另外的实施例中的两个。它们代表了如在本申请中所描述的主要-辅助离子生成器的同一个基本概念的进一步的实现。
图6示出了其中在辅助电极和收集电极之间直接放置了主要电极的替代实施例。更具体而言，图6示出了其中主要电极102被置于在衬底608中形成的单一的大的辅助电极604和收集电极(未示出)之间的设备。
图7示出了显示线形的电极的替代实施例。更具体而言，此附图还示出了其中在主要电极和电介质之间有间隙的实施例。在图7的示例中，主要电极702和辅助电极704两者都是作为线型的电极来实现的。该图还描绘了主要电极702偏离在其中提供了辅助电极704的衬底708的选项，在电极之间留有气隙。
在一个示例实施例中，可以使用此处所描述的电晕放电配置和方法来作为静电空气泵。例如，可以将主要/辅助电极集成到散热器中，以创建完整的冷却系统，或者，它们也可以被用来作为独立的鼓风机。
应该进一步注意，在本发明中，不再需要如在许多常规方法中那样让具有小直径的电晕电极来创建高电场电离区域。利用本发明的辅助电极，由主要电极和辅助电极来创建高电场区域。由于间隙会大于利用电晕放电线的可能的间隙，因此，可以使电晕电极对灰尘堆积不太敏感。因为电晕电极的有效尺寸的增大，电晕电极上的灰尘聚集会立即降低泵浦性能。自注入电极上的灰尘聚集将不会具有相同效果，因为离子生成区域不再由主要电极的尺寸所定义。
虽然这里是参考优选实施例具体描述本发明的，但是，对本领域的普通技术人员已经显而易见的，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行变化和修改。所附权利要求书意图包含这样的变化和修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种静电流体动力EHD设备，包括：
被置于尖/钝电极对中的主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，
其中，所述电极对被配置成使得当在它们之间施加电场时，在主要尖电极附近发生在电极对之间的气体的局部击穿，这会产生被吸引到钝电极的离子，
并且其中，施加于所述一个或多个辅助电极的电功率是独立于施加于所述电极对的电场而施加的，
并且其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所期望的方向引导所产生的离子。
2.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成为所述主要尖电极附近的电子雪崩提供种子电子。
3.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所述主要尖电极附近建立微弱的电晕。
4.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被置于所述主要尖电极相对于所述所期望的方向的上游方向。
5.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述钝电极整体地在散热器的散热片中形成。
6.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述钝电极具有面向所述主要尖电极的外形边。
7.一种静电流体动力(EHD)设备，包括：
主要尖电极；
在散热器的散热片中整体地形成的钝电极；以及
被置于所述主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，
其中，所述主要尖和钝电极被配置成使得当在它们之间施加电场时，在主要尖电极附近发生在它们之间的气体的局部击穿，这会产生被吸引到钝电极的离子，
并且其中，所述一个或多个辅助电极被配置成增强离子产生。
8.根据权利要求7所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成为所述主要尖电极附近的电子雪崩提供种子电子。
9.根据权利要求7所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所述主要尖电极附近建立微弱的电晕。
10.根据权利要求7所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所期望的方向引导所产生的离子。
11.根据权利要求7所述的EHD设备，其中，所述钝电极具有面向所述主要尖电极的外形边。
12.根据权利要求7所述的EHD设备，其中，所述主要尖电极和所述一个或多个辅助电极被置于共同衬底上。
13.根据权利要求12所述的EHD设备，其中，所述衬底的外形为部分地掩蔽所述主要尖电极和所述一个或多个辅助电极，使得离子电流被约束在所期望的方向。
14.根据权利要求12所述的EHD设备，其中，所述衬底基本上与相对表面齐平，并且其中所述主要尖电极被置于与所述一个或多个辅助电极相反的表面上。
15.根据权利要求7所述的EHD设备，其中，所述主要尖电极包括一条线，并且其中所述一个或多个辅助电极包括由基本上平行于所述主要尖电极的电介质围绕的导体。
16.一种散热器，包括：
多个分离的散热片；以及
一种静电流体动力EHD设备，包括：
主要尖电极，
在相应的散热片中整体地形成的多个钝电极，
被置于所述主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，
耦接到所述主要尖和钝电极的用于在它们之间建立电场的电压源，以及
耦接到所述一个或多个辅助电极的辅助电压源，
其中，所述辅助电压源是独立于电压源受控制的，以便增强在主要尖和钝电极之间产生的离子。
17.根据权利要求16所述的散热器，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成为所述主要尖电极附近的电子雪崩提供种子电子。
18.根据权利要求16所述的散热器，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所述主要尖电极附近建立微弱的电晕。
19.根据权利要求16所述的散热器，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所期望的方向引导所产生的离子。

Claims (20)

1.一种静电流体动力EHD设备，包括：
被置于尖/钝电极对中的主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，
其中，所述电极对被配置成使得当在它们之间施加电场时，在主要尖电极附近发生在电极对之间的气体的局部击穿，这会产生被吸引到钝电极的离子，
并且其中，施加于所述一个或多个辅助电极的电功率是独立于施加于所述电极对的电场而施加的。
2.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成为所述主要尖电极附近的电子雪崩提供种子电子。
3.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所述主要尖电极附近建立微弱的电晕。
4.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所期望的方向引导所产生的离子。
5.根据权利要求4所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被置于所述主要尖电极相对于所述所期望的方向的上游方向。
6.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述钝电极整体地在散热器的散热片上形成。
7.根据权利要求1所述的EHD设备，其中，所述钝电极具有面向所述主要尖电极的外形边。
8.一种静电流体动力(EHD)设备，包括：
主要尖电极；
在散热器的散热片中整体地形成的钝电极；以及
被置于所述主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，
其中，所述主要尖和钝电极被配置为使得当在它们之间施加电场时，在主要尖电极附近发生在它们之间的气体的局部击穿，这会产生被吸引到钝电极的离子，
并且其中，所述一个或多个辅助电极被配置成增强离子产生。
9.根据权利要求8所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成为所述主要尖电极附近的电子雪崩提供种子电子。
10.根据权利要求8所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所述主要尖电极附近建立微弱的电晕。
11.根据权利要求8所述的EHD设备，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所期望的方向引导所产生的离子。
12.根据权利要求8所述的EHD设备，其中，所述钝电极具有面向所述主要尖电极的外形边。
13.根据权利要求8所述的EHD设备，其中，所述主要尖电极和一个或多个辅助电极被置于共同衬底上。
14.根据权利要求13所述的EHD设备，其中，所述衬底的外形为部分地掩蔽所述主要尖电极和一个或多个辅助电极，使得离子电流被约束在所期望的方向。
15.根据权利要求13所述的EHD设备，其中，所述衬底基本上与相对表面齐平，并且其中所述主要尖电极被置于与所述一个或多个辅助电极相反的表面上。
16.根据权利要求8所述的EHD设备，其中，所述主要尖电极包括一条线，并且其中所述一个或多个辅助电极包括由基本上平行于所述主要尖电极的电介质围绕的导体。
17.一种散热器，包括：
多个分离的散热片；以及
一种静电流体动力EHD设备，包括：
主要尖电极，
在相应的散热片中整体地形成的多个钝电极，
被置于所述主要尖电极附近的一个或多个辅助电极，
耦接到所述主要尖和钝电极的用于在它们之间建立电场的电压源，以及
耦接到所述一个或多个辅助电极的辅助电压源，
其中，所述辅助电压源是独立于电压源受控制的，以便增强在主要和钝电极之间产生的离子。
18.根据权利要求17所述的散热器，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成为所述主要尖电极附近的电子雪崩提供种子电子。
19.根据权利要求17所述的散热器，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所述主要尖电极附近建立微弱的电晕。
20.根据权利要求17所述的散热器，其中，所述一个或多个辅助电极被配置成在所期望的方向引导所产生的离子。
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