CN113690737B - 一种太阳能供电的电场增强型离子风装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，包括供电模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针‑网电极模块以及电场增强模块；所述针‑网电极模块包括针电极与网电极；所述供电模块为脉冲发生模块与直流升压模块相连提供电压；所述脉冲发生模块生成的脉冲电压经过过流保护模块后为针‑网电极模块的针电极提供脉冲高压；所述直流升压模块输出直流高压至电场增强模块；所述电场增强模块包括金属板；所述金属板设置多个均匀分布的圆形通孔；所述针电极绝缘地安装于圆形通孔中；所述金属板与直流升压模块相连使其与网电极之间形成高压电场。本发明能够提高离子风风速的电场增强技术，节能环保。

Description

一种太阳能供电的电场增强型离子风装置

技术领域

本发明涉及气体放电技术领域，具体涉及一种太阳能供电的电场增强型离子风装置。

背景技术

离子风是通过高电压电离气体，离子在电场中加速并碰撞中性气体分子引起的气体流动现象。由于其产生装置低功耗、低噪声、结构简单、无需机械装置即可产生气体流动的特点，在散热、除尘、干燥、静电消除以及负离子产生等领域得到广泛应用。而离子风在推进领域也存在较大的潜在应用价值，仅通过消耗电能就能直接产生驱动力，它是一种新型的动力技术，因此备受国内外航空航天界的关注。离子风风速和能量效率是影响离子风应用的重要因素。当前离子风产生装置大多只通过优化电源类型、集风口设计、高压电极曲率半径和表面特性来提高离子风风速和能量效率，却忽略了对带电粒子纵向扩散的控制，这就仍然造成了能量的巨大损失；同时离子风产生装置大多采用市电供电。随着离子风应用范围和领域的扩大，尤其是应用于飞行器上的离子风流体控制装置和在野外作业时均无法适用于电网供电，需要不依赖于市电，且可以独立长期工作的离子风产生装置。而且，因此，设计出能够加强带电粒子控制且不依赖于市电供电的离子风产生装置具有十分重要的意义，且应用前景广阔。

现有技术，公开号为CN205944731U公开专利名称为：一种提高离子风风速的装置，其采用高压电源与离子发射电极直接连接，离子接收极与地极连接的设计；虽然该设计在不锈钢针尖表面进行了涂料处理，但其电晕放电产生的带电粒子的运动方向仍然是扩散的，测得的风速最高只有2.2m/s。公开号为CN106961777A公开专利名称为：一种无机械装置离子风，该装置中将高压电源与正负电晕放电电极连接，并用介质板隔离正负电极，通过集风嘴来导流电晕离子风。上述技术中存在以下技术问题：（1）现有离子风装置所产生的离子风风速较低，且能量效率低，一些离子风装置为了增大离子风速，对电极结构参数做了充分的研究优化，大多采用线-铝箔电极、针-网电极或线-网电极等电极结构同时还采用了具有能量效率高、场强高和电子能量密度大的脉冲电源，甚至用双电源叠加驱动，但其无法达到电场增强的目的，缺乏对针尖电极电晕放电所产生的带电粒子扩散方向的控制，无法集中风力产生更大的风速；（2）现有离子风装置多采用市电供电，没有独立长期稳定工作能力，对离子风应用领域的工作环境有比较大的限制。采用蓄电池供电可以短时间内满足离子风装置供电需求，但是其受蓄电池容量所限，无法从根本上脱离市电，仍然难以满足离子风产生装置独立长期工作的需求。（3）现有离子风装置无过流保护装置，在空气湿度大的环境下，击穿电压会降低，没有进行电路保护的设计，容易导致装置损坏。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，本装置中融合电场增强技术与太阳能供电技术，在利用高场强、电子能量和密度大、能量效率高的脉冲电源驱动针-网电极电晕放电的同时，结合直流高压场强下控制带电粒子纵向扩散来提高离子风风速，使得装置在限定条件下达到最大的风力。

2.技术方案：

一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：包括供电模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针-网电极模块以及电场增强模块；所述针-网电极模块包括针电极与网电极；所述供电模块为脉冲发生模块与直流升压模块相连提供电压；所述脉冲发生模块生成的脉冲电压经过过流保护模块后为针-网电极模块的针电极提供脉冲高压；所述直流升压模块输出直流高压至电场增强模块；所述电场增强模块包括金属板；所述金属板设置多个均匀分布的圆形通孔；所述针电极绝缘地安装于圆形通孔中；所述金属板与直流升压模块相连使其与网电极之间形成高压电场。

进一步地，电场增强型离子风装置为双高压激励，其中脉冲高压用于驱动针-网电极模块产生离子风，直流高压用于在金属板与网间产生高压电场控制带电粒子纵向扩散从而提高离子风风速。

进一步地，所述供电模块包括太阳能供电单元与蓄电池，所述太阳能供电单元为蓄电池充电；所述供电模块输出的12V电压，经脉冲发生模块生成15KV的脉冲高压；15KV的脉冲高压经过过流保护模块传输至针电极。

进一步地，所述针-网电极模块的网电极为具有均匀分布的多个网孔的金属丝网。

进一步地，所述脉冲发生模块包括NE555信号发生模块、直流升压单元、IGBT以及脉冲升压变压器T；所述NE555信号发生模块与直流升压单元提供直流低压，直流低压经IGBT斩波后送入脉冲升压变压器T；脉冲升压变压器T输出预设的脉冲电压。

进一步地，所述供电模块还包括稳压源IC1；所述稳压源IC1与蓄电池的输出端相连输出12V的电压。

进一步地，所述过流保护模块包括1MΩ的电阻。

进一步地，所述供电模块输出的12V电压，经过直流升压模块生成15KV的直流高压；15KV的直流高压传输至铝板。

进一步地，所述针-网电极模块的网电极为孔径0.35mm*0.35mm、边长为100mm的不锈钢网，针电极与网电极所在平面相互垂直且间距为10mm。

进一步地，所述金属板为铝板；铝板为半径为30mm，厚度为1mm的圆形铝板；所述铝板表面的通孔半径为1.3mm；通过通孔的针电极为长为25mm，半径为0.3mm的不锈钢针；不锈钢针的针尖与铝板之间距离可调，距离的范围为10mm-20mm。

3.有益效果：

（1）本发明中针网电极模块的针电极由铝制的金属板固定，且铝板与电极针之间保持绝缘，铝板与网电极之间形成高压直流强电场，来控制针网电极产生的带电粒子的纵向扩散，从而增强风速。

（2）本发明中电源为太阳能供电的电源，电源采用可再生清洁能源太阳能给硅能蓄电池充电，蓄电池可在充电的同时对装置持续供电。工作过程中完全采用可再生的太阳能。太阳能电源可同时提供脉冲高压和直流高压；脉冲高压由脉冲发生模块控制提供给针电极，使得针网电极产生带电粒子形成电晕放电离子风。由直流升压模块输出的直流高压提供给金属板。

（3）本发明采用过流保护模块，为防止在空气湿度大的工作环境下击穿电压的降低，在针电极与脉冲模块之间设置了一个过流保护模块。

综上，本方案与现有离子风装置相比，提高离子风风速的电场增强技术，优化了电极结构，同等电压下，本发明的离子风风速更大；采用清洁能源，脱离市电，节能环保；操作安全，且增强装置使用寿命。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中的电场增强模块与针-网电极模块的连接示意图；

图3为本发明的电路连接示意图；

图4为本发明中针-网电极模块的结构示意图；

图5为本发明中铝板嵌有绝缘套的6针高压针电极结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

如附图1至附图5所示，一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：包括供电模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针-网电极模块以及电场增强模块；所述针-网电极模块包括针电极与网电极；所述供电模块为脉冲发生模块与直流升压模块相连提供电压；所述脉冲发生模块生成的脉冲电压经过过流保护模块后为针-网电极模块的针电极提供脉冲高压；所述直流升压模块输出直流高压至电场增强模块；所述电场增强模块包括金属板；所述金属板设置多个均匀分布的圆形通孔；所述针电极绝缘地安装于圆形通孔中；所述金属板与直流升压模块相连使其与网电极之间形成高压电场。

进一步地，电场增强型离子风装置为双高压激励，其中脉冲高压用于驱动针-网电极模块产生离子风，直流高压用于在金属板与网间产生高压电场控制带电粒子纵向扩散从而提高离子风风速。

进一步地，所述供电模块包括太阳能供电单元与蓄电池，所述太阳能供电单元为蓄电池充电；所述供电模块输出的12V电压，经脉冲发生模块生成15KV的脉冲高压；15KV的脉冲高压经过过流保护模块传输至针电极。

进一步地，所述针-网电极模块的网电极为具有均匀分布的多个网孔的金属丝网。

进一步地，所述脉冲发生模块包括NE555信号发生模块、直流升压单元、IGBT以及脉冲升压变压器T；所述NE555信号发生模块与直流升压单元提供直流低压，直流低压经IGBT斩波后送入脉冲升压变压器T；脉冲升压变压器T输出预设的脉冲电压。

进一步地，所述供电模块还包括稳压源IC1；所述稳压源IC1与蓄电池的输出端相连输出12V的电压。

进一步地，所述过流保护模块包括1MΩ的电阻。

进一步地，所述供电模块输出的12V电压，经过直流升压模块生成15KV的直流高压；15KV的直流高压传输至铝板。

进一步地，所述针-网电极模块的网电极为孔径0.35mm*0.35mm、边长为100mm的不锈钢网，针电极与网电极所在平面相互垂直且间距为10mm。

进一步地，所述金属板为铝板；铝板为半径为30mm，厚度为1mm的圆形铝板；所述铝板表面的通孔半径为1.3mm；通过通孔的针电极为长为25mm，半径为0.3mm的不锈钢针；不锈钢针的针尖与铝板之间距离可调，距离的范围为10mm-20mm。

具体实施例：

本发明提供了一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，输出直流电压幅值为15kV，输出脉冲电压幅值15kV、频率10kHz，离子风风速为3m/s，下面将结合图1至图5对本发明进行解释。

本发明包括供电模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针-网电极模块以及电场增强模块，其中供电模块包括太阳能单元和蓄电池，针-网电极模块由针电极和网电极组成。供电模块输出直流电压给直流升压模块，同时给供电模块经脉冲发生模块形成脉冲高压，脉冲发生模块经过流保护模块给针电极提供脉冲高压。直流模块输出直流高压提供给电场增强模块的金属板与网电极形成高压直流强电场。在高压直流电场增强下，脉冲驱动针网电极产生的离子风风速为0-3m/s。

图3和图4装置电路原理图和金属板与针-网电极结构示意图。该装置的电源由太阳能单元与蓄电池（型号：12V20AH硅能蓄电池）组成，太阳能单元直接连接蓄电池充电，蓄电池可在充电的同时经过稳压源IC1后分别给直流升压模块和脉冲发生模块提供12V的稳定输出电压。蓄电池输出的12V电压经直流升压模块进行高频振荡产生低压脉冲，再通过脉冲升压器后进行整流，最终形成15KV的直流高压。直流升压模块与电场增强模块连接，电场增强模块的铝制圆板由直流升压模块提供的15kV的电压供电与针网电极模块的网电极形成高压直流电场，来增加针网模块的电极场强。同时，蓄电池在经过稳压源IC1后给脉冲发生模块的NE555提供启动电压以及给脉冲发生器模块内部的直流升压模块形成直流低压，输出的低压直流再经IGBT（VT）斩波后送入脉冲升压变压器T，稳定输出15kV的脉冲电压，经过流保护模块与针网电极模块的针电极连接，其中过流保护模块主要由1MΩ的电阻组成。在该电压下针电极与网电极形成电晕放电产生离子风，风速为3m/s。

如图4所示，电场增强型模块的铝板的半径为30mm，厚度为1mm，铝板中有均匀分布的孔，其半径为1.3mm。本图中采用6根针电极为例，针网电极模块的针电极由6根长为25mm，半径为0.3mm的不锈钢针组成，针针间距为15mm且之间相互平行，针尖与铝板直接的距离可调10mm-20mm，针与铝板垂直且保证针尖处于同一平面，6根针分布于以铝板圆心为中心的正三角形的顶点和边长中点，针身由1mm的绝缘胶套管及密封胶封装与铝板之间形成绝缘，如图5所示。针-网电极模块的网电极采用孔径为0.35mm*0.35mm、边长为mm的不锈钢网，针电极与网电极所在平面相互垂直且间距为10mm。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (8)

1.一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：包括供电模块、直流升压模块、脉冲发生模块、过流保护模块、针-网电极模块以及电场增强模块；所述针-网电极模块包括针电极与网电极；所述供电模块为脉冲发生模块与直流升压模块相连提供电压；所述脉冲发生模块生成的脉冲电压经过过流保护模块后为针-网电极模块的针电极提供脉冲高压；所述直流升压模块输出直流高压至电场增强模块；所述电场增强模块包括金属板；所述金属板设置多个均匀分布的圆形通孔；所述针电极绝缘地安装于圆形通孔中；所述金属板与直流升压模块相连使其与网电极之间形成高压电场；

电场增强型离子风装置为双高压激励，其中脉冲高压用于驱动针-网电极模块产生离子风，直流高压用于在金属板与网间产生高压电场控制带电粒子纵向扩散从而提高离子风风速;

所述金属板为铝板；铝板为半径为30mm，厚度为1mm的圆形铝板；所述铝板表面的通孔半径为1.3mm；通过通孔的针电极为长为25mm，半径为0.3mm的不锈钢针；不锈钢针的针尖与铝板之间距离可调，距离的范围为10mm-20mm。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：所述供电模块包括太阳能供电单元与蓄电池，所述太阳能供电单元为蓄电池充电；所述供电模块输出的12V电压，经脉冲发生模块生成15KV的脉冲高压；15KV的脉冲高压经过过流保护模块传输至针电极。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：所述针-网电极模块的网电极为具有均匀分布的多个网孔的金属丝网。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：所述脉冲发生模块包括NE555信号发生模块、直流升压单元、IGBT以及脉冲升压变压器T；所述NE555信号发生模块与直流升压单元提供直流低压，直流低压经IGBT斩波后送入脉冲升压变压器T；脉冲升压变压器T输出预设的脉冲电压。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：所述供电模块还包括稳压源IC1；所述稳压源IC1与蓄电池的输出端相连输出12V的电压。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：所述过流保护模块包括1MΩ的电阻。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：所述供电模块输出的12V电压，经过直流升压模块生成15KV的直流高压；15KV的直流高压传输至铝板。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的电场增强型离子风装置，其特征在于：所述针-网电极模块的网电极为孔径0.35mm*0.35mm、边长为100mm的不锈钢网，针电极与网电极所在平面相互垂直且间距为10mm。

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