DE102014100575A1

DE102014100575A1 - Actuator system and electrohydrodynamic actuator

Info

Publication number: DE102014100575A1
Application number: DE102014100575.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Tajmar
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrohydrodynamischer Aktuator (2) zum Bewegen eines flüssigen oder gasförmigen, dielektrischen, elektrisch nicht leitenden Mediums (4), insbesondere von Luft, umfassend:
– eine Kathode (21);
– eine Anode (22); und
– eine Heizeinrichtung, die so mit der Kathode (21) gekoppelt ist, dass bei einem Aufheizen der Kathode (21) auf eine Heiztemperatur (T_Heiz) eine thermionische Emission von Elektronen in einen Umgebungsbereich der Kathode (21) bewirkt wird,
wobei zwischen der Kathode (21) und der Anode (22) ein elektrisches Feld ausbildbar ist bzw. ausgebildet ist, um die thermionisch in den Umgebungsbereich emittierten Elektronen in Richtung der Anode (22) zu bewegen. The invention relates to an electrohydrodynamic actuator (2) for moving a liquid or gaseous, dielectric, electrically nonconducting medium (4), in particular of air, comprising:
A cathode (21);
An anode (22); and
A heater coupled to the cathode (21) such that when the cathode (21) is heated to a heating temperature (T _heating ) thermionic emission of electrons into an ambient region of the cathode (21) is effected;
wherein an electric field can be formed between the cathode (21) and the anode (22) in order to move the thermionically emitted electrons into the surrounding area in the direction of the anode (22).

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung betrifft das Gebiet elektrohydrodynamischer Aktuatoren zum Generieren eines Partikelstroms bzw. einer Strömung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betreiben von elektrohydrodynamischen Aktuatoren. The invention relates to the field of electrohydrodynamic actuators for generating a particle flow or a flow of a liquid or gaseous medium. Furthermore, the present invention relates to methods for operating electrohydrodynamic actuators.

Stand der Technik State of the art

Bei elektrohydrodynamischen Aktuatoren werden üblicherweise mithilfe einer Hochspannungsentladung in einem dielektrischen gasförmigen Medium, wie zum Beispiel Luft, oder einem dielektrischen flüssigen Medium Ionen oder geladene Teilchen erzeugt, auf die in einem elektrischen Feld eine Kraft ausgeübt wird, so dass das Medium gerichtet bewegt werden kann. In electrohydrodynamic actuators, ions or charged particles are typically generated by means of a high voltage discharge in a dielectric gaseous medium such as air or a dielectric liquid medium to which a force is applied in an electric field so that the medium can be moved in a directional manner.

Beispielsweise ist aus der Druckschrift E. Moreau, G. Touchard, "Enhancing the Mechanical Efficiency of Electric Wind in Corona Discharges", Journal of Electrostatics, 66 (2008), Seiten 39–44 , bekannt, Ladungsträger durch Koronaentladungen in Luft zu erzeugen und diese in einem elektrischen Feld gerichtet zu bewegen. For example, from the document E. Moreau, G. Touchard, "Enhancing the Mechanical Efficiency of Electric Wind in Corona Discharges," Journal of Electrostatics, 66 (2008), pages 39-44 It is known to generate carriers by corona discharges in air and to move them in an electric field.

Beispielhafte Anwendungen derartiger elektrohydrodynamischer Aktuatoren sind Mikroluftpumpen, zum Beispiel zur Kühlung von elektrischen Bauelementen in Laptops, wie beispielsweise aus N. E. Jewell-Larsen et al., "Electrohydrodynamic (EHD) Cooled Laptop", IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, 2009, Seiten 261–267 , bekannt ist. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Verwendung von elektrohydrodynamischen Aktuatoren als Antriebssysteme für rückstoßgetriebene Fahrzeuge. Exemplary applications of such electrohydrodynamic actuators are micro-air pumps, for example for cooling electrical components in laptops, such as for example NE Jewell-Larsen et al., "Electrohydrodynamic (EHD) Cooled Laptop", IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, 2009, pages 261-267 , is known. Further fields of application are, for example, the use of electrohydrodynamic actuators as drive systems for recoil-driven vehicles.

Allgemein umfassen elektrohydrodynamische Aktuatoren Elektroden, zwischen denen eine Startspannung angelegt wird, so dass sich eine Koronaentladung ausbildet. Die Koronaentladung führt zu einer Ionisation eines elektrisch nicht leitenden Mediums zwischen den Elektroden, wobei Ladungsträger erzeugt werden. Die Ladungsträger werden durch die zwischen den Elektroden angelegte Elektrodenspannung bewegt und nehmen die umgebenden Moleküle mit. Dadurch wird ein Medienstrom erzeugt. Derartige elektrohydrodynamische Aktuatoren sind also dazu geeignet, ohne die Verwendung verschleißanfälliger beweglicher Teile eine Strömung eines Mediums zu bewirken. In general, electrohydrodynamic actuators include electrodes between which a starting voltage is applied so that a corona discharge is formed. The corona discharge leads to an ionization of an electrically non-conductive medium between the electrodes, whereby charge carriers are generated. The charge carriers are moved by the electrode voltage applied between the electrodes and carry with them the surrounding molecules. This creates a media stream. Such electrohydrodynamic actuators are thus suitable for effecting a flow of a medium without the use of wear-prone moving parts.

Bei elektrohydrodynamischen Aktuatoren, die auf der Ionisation des Mediums durch Koronaentladungen basieren, muss die zwischen den Elektroden angelegte Spannung erhöht werden, wenn höhere Strömungsleistungen des Aktuators erreicht werden sollen. Durch die Erhöhung der Spannung erhöht sich jedoch ebenfalls die Leistungsaufnahme und der Wirkungsgrad nimmt ab, d. h. das Verhältnis zwischen der mechanischen Strömungsleistung, d. h. der Pumpleistung bei Pumpen bzw. der Schubleistung bei Antriebssystemen, und der aufgewendeten elektrischen Leistung nimmt ab. Dadurch sind elektrohydrodynamische Aktuatoren, die die Ionisation des zu transportierenden Mediums basierend auf Koronaentladungen bewirken, für höhere Schub- bzw. Pumpleistungen wenig attraktiv. With electrohydrodynamic actuators based on the ionization of the medium by corona discharges, the voltage applied between the electrodes must be increased if higher flow rates of the actuator are to be achieved. However, increasing the voltage also increases power consumption and reduces efficiency, ie. H. the relationship between the mechanical flow rate, d. H. the pump power in pumps or the thrust of power systems, and the amount of electrical power used decreases. As a result, electrohydrodynamic actuators, which cause the ionization of the medium to be transported based on corona discharges, are less attractive for higher thrust and pump powers.

Wie beispielsweise aus den Druckschriften US 3,621,244 , US 3,526,268 und Kulumbaev et al., "Plasma Physics Reports", 2011, Bd. 37, Nr. 8, S. 97–114, bekannt ist, kann der Wirkungsgrad durch Aufheizen der Umgebung einer Elektrode, insbesondere durch Beaufschlagen einer Drahtelektrode mit einem Heizstrom, erhöht werden, indem die Elektrodenspannung verringert bzw. der Medienstrom bei gleichbleibender Elektrodenspannung erhöht wird. Durch Aufheizen der betreffenden Elektroden bis zu Temperaturen von ca. 800°C kann der Wirkungsgrad um nicht mehr als etwa den Faktor 2 verbessert werden. For example, from the publications US 3,621,244 . US 3,526,268 and Kulumbaev et al., "Plasma Physics Reports", 2011, Vol. 37, No. 8, pp. 97-114, the efficiency can be improved by heating the surroundings of an electrode, in particular by applying a heating current to a wire electrode, be increased by the electrode voltage is reduced or the media flow is increased at a constant electrode voltage. By heating the respective electrodes up to temperatures of about 800 ° C, the efficiency can be improved by not more than about a factor of 2.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten elektrohydrodynamischen Aktuator zur Verfügung zu stellen, mit dem höhere Wirkungsgrade bzw. höhere Leistungsdichten erreicht werden können als mit einem elektrohydrodynamischen Aktuator, der eine Ionisation des zu transportierenden Mediums mithilfe von Koronaentladungen bewirkt. It is therefore an object of the present invention to provide an improved electrohydrodynamic actuator, with which higher efficiencies or higher power densities can be achieved than with an electrohydrodynamic actuator, which causes ionization of the medium to be transported by means of corona discharges.

Weiterhin ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben eines elektrohydrodynamischen Aktuators zur Verfügung zu stellen, wodurch der elektrohydrodynamische Aktuator mit einem verbesserten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Furthermore, it is an object to provide a method for operating an electrohydrodynamic actuator, whereby the electrohydrodynamic actuator can be operated with an improved efficiency.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch den elektrohydrodynamischen Aktuator gemäß Anspruch 1 sowie durch das Aktuatorsystem mit einem elektrohydrodynamischen Aktuator und das Verfahren zum Betreiben eines elektrohydrodynamischen Aktuators gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. This object is achieved by the electrohydrodynamic actuator according to claim 1 and by the actuator system with an electrohydrodynamic actuator and the method for operating an electrohydrodynamic actuator according to the independent claims.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist ein elektrohydrodynamischer Aktuator zum Bewegen eines flüssigen oder gasförmigen, dielektrischen, elektrisch nicht leitenden Mediums, insbesondere von Luft vorgesehen, umfassend:

– eine Kathode;
– eine Anode, wobei sich das Medium zwischen der Kathode und der Anode befindet; und
– eine Heizeinrichtung, die so mit der Kathode gekoppelt ist, dass bei einem Aufheizen der Kathode auf eine Heiztemperatur eine thermionische Emission von Elektronen in einen Umgebungsbereich der Kathode bewirkt wird, wobei zwischen der Kathode und der Anode ein elektrisches Feld ausgebildet ist, um die thermionisch in den Umgebungsbereich emittierten Elektronen in Richtung der Anode zu bewegen.

Further embodiments are specified in the dependent claims. According to a first aspect, an electrohydrodynamic actuator for moving a liquid or gaseous, dielectric, electrically non-conductive medium, in particular air, is provided, comprising:

A cathode;
An anode with the medium between the cathode and the anode; and
A heater coupled to the cathode such that when the cathode is heated to a heating temperature, thermionic emission of electrons into an ambient region of the cathode is effected, wherein an electric field is formed between the cathode and the anode to form the thermionic to move electrons emitted in the surrounding area in the direction of the anode.

Eine Idee der obigen Elektrodenanordnung besteht darin, eine beheizbare Kathode vorzusehen, die so aufgeheizt werden kann, dass diese thermionisch Elektronen emittiert. Die so emittierten Elektronen werden durch ein elektrisches Feld zwischen der Kathode und der Anode in Richtung der Anode bewegt, wobei Moleküle des Mediums zwischen Kathode und Anode mitgenommen werden und eine Strömung in dem Medium bewirkt wird. Wenn die Feldstärke ausreichend ist, können diese Elektronen auch das dielektrische Medium ionisieren und die Ionen bewegen sich dann im elektrischen Feld, wodurch ebenfalls eine Strömung bewirkt wird. Für eine thermionische Emission von Elektronen muss das Aufheizen der Kathode mit einer Temperatur erfolgen, durch die die Austrittsarbeit von Elektronen aus dem Kathodenmaterial überschritten wird. Mit einer solchen Anordnung werden deutlich höhere Wirkungsgrade bzw. Leistungsdichten erreicht als dies mit elektrohydrodynamischen Aktuatoren ohne Kathodenheizung möglich ist, indem die Arbeitsspannung zum Bereitstellen des elektrischen Feldes zwischen der Kathode und der Anode möglichst niedrig gewählt wird. One idea of the above electrode arrangement is to provide a heatable cathode which can be heated to thermionically emit electrons. The electrons thus emitted are moved towards the anode by an electric field between the cathode and the anode, entraining molecules of the medium between the cathode and the anode and causing a flow in the medium. If the field strength is sufficient, these electrons can also ionize the dielectric medium and the ions then move in the electric field, which also causes a flow. For a thermionic emission of electrons, the heating of the cathode must be carried out at a temperature which exceeds the work function of electrons from the cathode material. With such an arrangement significantly higher efficiencies and power densities are achieved than is possible with electrohydrodynamic actuators without cathode heating by the working voltage for providing the electric field between the cathode and the anode is selected as low as possible.

Zudem ist es möglich, durch die niedrigere Arbeitsspannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes bei einer Verwendung von Luft als Medium die Ozonproduktion stark zu verringern, die insbesondere bei elektrohydrodynamischen Aktuatoren basierend auf der Ionisation des Mediums durch Koronaentladungen auftritt. In addition, it is possible to greatly reduce the ozone production due to the lower operating voltage for generating the electric field when using air as a medium, which occurs in particular in electrohydrodynamic actuators based on the ionization of the medium by corona discharges.

Weiterhin kann die Feldstärke des elektrischen Feldes, insbesondere in dem Umgebungsbereich der Kathode, geringer sein als für das Auslösen einer Koronaentladung erforderlich ist. Furthermore, the field strength of the electric field, in particular in the surrounding area of the cathode, may be lower than that required for triggering a corona discharge.

Alternativ kann die Feldstärke des elektrischen Feldes, insbesondere in dem Umgebungsbereich der Kathode, zum Auslösen einer Koronaentladung geeignet sein, wobei die Feldstärke des elektrischen Feldes geringer ist als die Durchbruchsfeldstärke des Mediums. Alternatively, the field strength of the electric field, in particular in the surrounding area of the cathode, may be suitable for triggering a corona discharge, the field strength of the electric field being less than the breakdown field strength of the medium.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Material der Kathode so gewählt sein, dass es gegenüber dem Medium zumindest bis zu der Heiztemperatur chemisch inert ist oder dass eine Verbindung aus einem Bestandteil des Mediums und dem Material der Kathode eine geringere Verdampfungstemperatur aufweist als das Material der Kathode. Dafür kann es speziell bei Luft zweckmäßig sein, die Kathode mit Schutzgas zu spülen. According to one embodiment, the material of the cathode may be chosen such that it is chemically inert to the medium at least up to the heating temperature or that a compound of a component of the medium and the material of the cathode has a lower evaporation temperature than the material of the cathode. For this purpose, it may be expedient, especially in the case of air, to rinse the cathode with protective gas.

Weiterhin kann die Heizeinrichtung ausgebildet sein, die Kathode elektrisch zu heizen, wobei das Kathodenpotenzial auf einem Massepotenzial liegt. Ein elektrisches Heizen ist eine einfache Möglichkeit, die für die thermionische Emission von Elektronen benötigte Temperaturen der Kathode mit geringem Aufwand zu erzeugen. Furthermore, the heating device can be designed to heat the cathode electrically, wherein the cathode potential is at a ground potential. Electric heating is an easy way to produce the required for the thermionic emission of electrons temperatures of the cathode with little effort.

Die Kathode kann als Drahtkathode und die Anode als Gitteranode ausgeführt sein, wobei die Gitteranode zumindest abschnittsweise quer zur Bewegungsrichtung der Elektronen angeordnet ist. Die Gitteranode stellt eine einfache Form dar, eine flächige der Kathode gegenüberliegende Anode zu schaffen, die eine ausreichende Durchlässigkeit für das bewegte Medium vorsieht. The cathode can be designed as a wire cathode and the anode as a grid anode, wherein the grid anode is arranged at least in sections transversely to the direction of movement of the electrons. The lattice anode provides a simple shape to provide a flat cathode opposite anode that provides sufficient permeability to the moving medium.

Insbesondere kann die Gitteranode in eine von der Drahtkathode abgewandte Richtung gewölbt sein, wobei sich die Drahtkathode entlang einer durch die Wölbung der Gitteranode definierten Mittenachse erstreckt. In particular, the grid anode can be curved in a direction away from the wire cathode, wherein the wire cathode extends along a center axis defined by the curvature of the grid anode.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kathode als Punktkathode und die Anode als Gitteranode ausgeführt sein, wobei die Gitteranode zumindest abschnittsweise quer zur Bewegungsrichtung der Elektronen angeordnet ist. According to a further embodiment, the cathode can be designed as a point cathode and the anode as a grid anode, wherein the grid anode is arranged at least in sections transversely to the direction of movement of the electrons.

Insbesondere kann die Gitteranode in einer von der Drahtkathode abgewandten Richtung, insbesondere halbkugelförmig, gewölbt sein, wobei die Punktkathode an einem durch die Wölbung der Gitteranode definierten Mittelpunkt angeordnet ist. In particular, the lattice anode can be curved in a direction away from the wire cathode, in particular hemispherical, with the point cathode being arranged at a center defined by the curvature of the lattice anode.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann an einem Rand der Gitteranode mindestens eine Fokussierungsplatte bzw. Führungsplatte angeordnet sein, die sich zur Führung eines Stroms des Mediums im Wesentlichen auf der von der Kathode abgewandten Seite der Gitteranode erstreckt. Dies ermöglicht es, eine einstückige oder zusammenhänge Anordnung zu schaffen, die zum einen als Anode dient und zum anderen den Medienstrom gerichtet führen kann. According to a further embodiment, at least one focusing plate or guide plate can be arranged on one edge of the grid anode, which extends to guide a current of the medium substantially on the side remote from the cathode side of the grid anode. This makes it possible to provide a one-piece or related arrangement, which serves as an anode on the one hand and on the other hand can direct the media stream.

Die Kathode kann als Drahtkathode oder Punktkathode und die Anode als Plattanode ausgeführt sein, wobei die Plattenanode senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen angeordnet ist. The cathode can be embodied as a wire cathode or point cathode and the anode as a flat anode, wherein the plate anode is arranged perpendicular to the direction of movement of the electrons.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Punktkathode als eine mit der Heizeinrichtung verbundene Nadel, insbesondere mit einer verdickten Spitze, als eine Spitze eines gebogenen Heizdrahtes der Heizeinrichtung oder als eine Wendel aus dem Heizdraht der Heizeinrichtung ausgeformt ist. It may be provided that the point cathode is formed as a connected to the heater needle, in particular with a thickened tip, as a tip of a bent heating wire of the heater or as a helix from the heating wire of the heater.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Aktuatorsystem mit dem obigen elektrohydrodynamischen Aktuator und mit einer Steuereinheit vorgesehen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Heizeinrichtung so anzusteuern, dass diese auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der Elektronen thermionisch in einen Umgebungsbereich der Kathode emittiert werden, und um die Feldstärke des elektrischen Feldes einzustellen. According to a further aspect, an actuator system with the above electrohydrodynamic actuator and with a control unit is provided, wherein the control unit is designed to control the heating device so that it is heated to a temperature at which electrons are emitted thermionically into a surrounding area of the cathode, and to adjust the field strength of the electric field.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben des obigen elektrohydrodynamischen Aktuators vorgesehen, wobei die Heizeinrichtung angesteuert wird, um die Kathode auf eine Heiztemperatur aufzuheizen, bei der Elektronen thermionisch in einen Umgebungsbereich der Kathode emittiert werden, wobei die Feldstärke des elektrischen Feldes so eingestellt wird, dass diese unterhalb einer Startspannung für das Auslösen einer Koronaentladung liegt. According to another aspect, there is provided a method of operating the above electrohydrodynamic actuator, wherein the heater is energized to heat the cathode to a heating temperature at which electrons are thermionically emitted into an ambient region of the cathode, thereby adjusting the field strength of the electric field in that it is below a starting voltage for the triggering of a corona discharge.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben des obigen elektrohydrodynamischen Aktuators vorgesehen, wobei die Heizeinrichtung angesteuert wird, um die Kathode auf eine Heiztemperatur aufzuheizen, bei der Elektronen thermionisch in einen Umgebungsbereich der Kathode emittiert werden, wobei die Feldstärke des elektrischen Feldes so eingestellt wird, dass eine Koronaentladung in dem Medium in dem Umgebungsbereich der Kathode auftritt, so dass durch das elektrische Feld neben den thermionisch erzeugten Elektronen auch die durch die Koronaentladung erzeugten Ladungsträger bewegt werden. According to another aspect, there is provided a method of operating the above electrohydrodynamic actuator, wherein the heater is energized to heat the cathode to a heating temperature at which electrons are thermionically emitted into an ambient region of the cathode, thereby adjusting the field strength of the electric field in that a corona discharge occurs in the medium in the surrounding region of the cathode, so that the charge carriers generated by the corona discharge are also moved by the electric field in addition to the thermionically generated electrons.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Aktuatorsystems mit einem elektrohydrodynamischen Aktuator in einer Draht-/Plattenanordnung; 1 a schematic representation of an actuator system with an electrohydrodynamic actuator in a wire / plate assembly;

2 eine schematische Darstellung eines elektrohydrodynamischen Aktuators in einer Draht-/Plattenanordnung; 2 a schematic representation of an electrohydrodynamic actuator in a wire / plate assembly;

3 eine schematische Darstellung eines weiteren elektrohydrodynamischen Aktuators in einer Draht-/Gitteranordnung; 3 a schematic representation of another electrohydrodynamic actuator in a wire / grid arrangement;

4 eine schematische Darstellung eines weiteren elektrohydrodynamischen Aktuators in einer Draht-/Gitteranordnung; 4 a schematic representation of another electrohydrodynamic actuator in a wire / grid arrangement;

5 eine schematische Darstellung eines weiteren elektrohydrodynamischen Aktuators in einer Draht-/Gitteranordnung; und 5 a schematic representation of another electrohydrodynamic actuator in a wire / grid arrangement; and

6 bis 9 verschiedene Ausgestaltungen der Kathodenanordnung für elektrohydrodynamische Aktuatoren. 6 to 9 Various embodiments of the cathode assembly for electrohydrodynamic actuators.

Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments

1 zeigt schematisch ein Aktuatorsystem 1 mit einem elektrohydrodynamischen Aktuator 2, der zur Bewegung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums 4 dient. Das Aktuatorsystem 1 umfasst weiterhin eine Steuereinheit 3, die dazu dient, den elektrohydrodynamischen Aktuator 2 zu betreiben und eine Strömungsleistung in einer Strömungsrichtung S in dem Medium 4 vorzugeben, die durch den elektrohydrodynamischen Aktuator 2 umgesetzt wird. Das Medium 4 kann beispielsweise Luft unter beliebigen Drücken, insbesondere unter Atmosphärendruck, oder ein sonstiges dielektrisches, elektrisch nicht leitendes Gas oder eine sonstige dielektrische, elektrisch nicht leitende Flüssigkeit sein. 1 schematically shows an actuator system 1 with an electrohydrodynamic actuator 2 which is the movement of a liquid or gaseous medium 4 serves. The actuator system 1 further comprises a control unit 3 , which serves the electrohydrodynamic actuator 2 to operate and a flow rate in a flow direction S in the medium 4 pretend that by the electrohydrodynamic actuator 2 is implemented. The medium 4 For example, air may be at any pressure, in particular at atmospheric pressure, or any other dielectric, electrically non-conductive gas or other dielectric, electrically nonconducting fluid.

Der elektrohydrodynamische Aktuator 2 umfasst, wie auch in der Ausführungsform der 2a deutlicher gezeigt, zwei Elektroden, eine Kathode 21 und eine Anode 22. Um den Aktuator 2 zu betrieben, wird zwischen der Kathode 21 und der Anode 22 durch die Steuereinheit 3, insbesondere eine in der Steuereinheit 3 vorhandene einstellbare (nicht gezeigte) Feldspannungsquelle, eine Feldspannung (Gleichspannung) U_Feld zur Generierung eines elektrischen Feldes angelegt, wobei die Kathode 21 negativ gepolt ist. Dadurch bestimmt die Steuereinheit 3 die Stärke des elektrischen Feldes, das in dem elektrohydrodynamischen Aktuator 2 ausgebildet wird. Zwischen Kathode 21 und Anode 22 ist das zu bewegende bzw. das zu pumpende bzw. das zu transportierende Medium 4 angeordnet. The electrohydrodynamic actuator 2 includes, as well as in the embodiment of 2a shown more clearly, two electrodes, one cathode 21 and an anode 22 , To the actuator 2 To operate, is between the cathode 21 and the anode 22 through the control unit 3 , in particular one in the control unit 3 existing adjustable (not shown) _field voltage source, a field voltage (DC) U applied _field for generating an electric field, wherein the cathode 21 is negatively poled. This determines the control unit 3 the strength of the electric field in the electrohydrodynamic actuator 2 is trained. Between cathode 21 and anode 22 is the medium to be moved or pumped or transported 4 arranged.

Die Steuereinheit 3 stellt weiterhin elektrische Heizenergie durch Bereitstellen einer Heizspannung U_Heiz zur Verfügung, die um die Kathode 21 elektrisch auf eine vorbestimmte Temperatur T_Heiz aufzuheizen. The control unit 3 provides further electrical heating energy by providing a heating voltage U _Heiz available, which is around the cathode 21 electrically heat to a predetermined temperature T _heating .

Die obige Anordnung des elektrohydrodynamischen Aktuators 2 soll in erster Linie einen Elektronenstrom zwischen der Kathode 21 und der Anode 22 bewirken, der Moleküle des Mediums 4 in Strömungsrichtung S mitnimmt bzw. das Medium 4 ionisiert und die Ionen des Mediums im elektrischen Feld beschleunigt und dadurch eine Strömung des Mediums 4 bewirkt. Mithilfe des Aufheizens der Kathode 21 wird erreicht, dass thermionische Elektronen aus der Kathode 21 emittiert werden und eine Elektronenwolke im Bereich der Kathode 21 ausgebildet wird. Durch das elektrische Feld zwischen Kathode 21 und Anode 22 werden die Elektronen aus der Elektronenwolke in Richtung der Anode 22 bewegt bzw. beschleunigt, wodurch Moleküle des Mediums 4, wie zum Beispiel von Luft, mitgenommen werden. Auf diese Weise ist es möglich, den elektrohydrodynamischen Aktuator 2 zum Bewirken einer Strömung in dem Medium 4 zu betreiben, so dass dieser sowohl als Pumpe für das Medium 4 als auch als Antriebseinheit für rückstoßgetriebene Fahrzeuge verwendet werden kann. The above arrangement of the electrohydrodynamic actuator 2 should primarily an electron current between the cathode 21 and the anode 22 cause the molecules of the medium 4 in the flow direction S takes along or the medium 4 ionizes and accelerates the ions of the medium in the electric field and thereby a flow of the medium 4 causes. Using the heating of the cathode 21 is achieved that thermionic Electrons from the cathode 21 be emitted and an electron cloud in the region of the cathode 21 is trained. Through the electric field between the cathode 21 and anode 22 The electrons from the electron cloud are directed towards the anode 22 moves or accelerates, creating molecules of the medium 4 , such as air, are taken. In this way it is possible to use the electrohydrodynamic actuator 2 for causing a flow in the medium 4 to operate, so this both as a pump for the medium 4 as well as a drive unit for recoil-driven vehicles can be used.

Die Feldspannung U_Feld, die die Steuereinheit 3 zwischen Kathode 21 und Anode 22 anlegt, bewirkt ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden zum Beschleunigen der Elektronen aus der Elektronenwolke um die Kathode 21 in Richtung der Anode 22. Die Feldstärke, d. h. die angelegte Feldspannung U_Feld, kann so gewählt sein, dass diese im gesamten elektrischen Feld unterhalb einer Durchbruchsfeldstärke liegt. The _field voltage U _field , which is the control unit 3 between cathode 21 and anode 22 causes an electric field between the electrodes to accelerate the electrons from the electron cloud around the cathode 21 in the direction of the anode 22 , The field strength, ie the applied _field voltage U _field , can be chosen so that it is below a breakdown field strength in the entire electric field.

Weiterhin kann, je nachdem, ob eine Ladungsträgerbewegung zusätzlich auch durch über eine Koronaentladung erzeugte Ladungsträger erfolgen soll, die zwischen Kathode 21 und Anode 22 angelegte Feldspannung U_Feld bei einer Startspannung für eine Koronaentladung oder darüber liegen, d. h. die Feldspannung U_Feld weist eine Höhe auf, dass die Feldstärke im Bereich, d.h. im direkten Umfeld der Kathode 21 für das Auslösen einer Koronaentladung ausreicht. Ist die angelegte Feldspannung U_Feld geringer als die Startspannung für die Koronaentladung, so erfolgt die Bewegung des Mediums 4 lediglich durch Bewegen von thermionisch emittierten Elektronen in dem elektrischen Feld zwischen der Kathode 21 und der Anode 22. Ist die angelegte Feldspannung U_Feld größer als die Startspannung für die Koronaentladung (und natürlich geringer als die Spannung, die einer Durchbruchsfeldstärke des Mediums 4 entspricht), so erfolgt eine Bewegung des Mediums 4 durch die Bewegung sowohl von thermionisch emittierten Elektronen als auch von durch die Koronaentladung generierten Elektronen bzw. durch Bewegung von Ionen des Mediums, die durch die emittierten bzw. generierten Elektronen erzeugt werden. Furthermore, depending on whether a charge carrier movement is also to be effected by charge carriers generated via a corona discharge, that between cathode 21 and anode 22 applied _field voltage U _field at a starting voltage for a corona discharge or above, ie the _field voltage U _field has a height that the field strength in the area, ie in the immediate vicinity of the cathode 21 sufficient for triggering a corona discharge. If the applied _field voltage U _{field is} less than the starting voltage for the corona discharge, then the movement of the medium takes place 4 merely by moving thermionically emitted electrons in the electric field between the cathode 21 and the anode 22 , If the applied _field voltage U _{field is} greater than the starting voltage for the corona discharge (and, of course, less than the voltage corresponding to a breakdown _field strength of the medium 4 corresponds), so there is a movement of the medium 4 by the movement of both thermionically emitted electrons and electrons generated by the corona discharge or by movement of ions of the medium, which are generated by the emitted or generated electrons.

Der Betrieb des Aktuatorsystems 1 lediglich basierend auf der Erzeugung von thermionisch emittierten Elektronen hat den Vorteil, dass eine Startspannung nicht berücksichtigt werden muss und die Feldspannung U_Feld nahezu beliebig einstellbar ist, um die Strömungsleistung einstellen zu können. Insbesondere können geringere Feldspannungen U_Feld als die Startspannung für die Koronaentladung vorgegeben werden, wodurch der Wirkungsgrad bzw. die Leistungsdichte des elektrohydrodynamischen Aktuators 2 deutlich erhöht wird. The operation of the actuator system 1 only based on the generation of thermionically emitted electrons has the advantage that a starting voltage does not have to be considered and the _field voltage U _{field is} almost arbitrarily adjustable in order to adjust the flow rate can. In particular, lower _field voltages U _field than the starting voltage for the corona discharge can be specified, whereby the efficiency or the power density of the electro-hydrodynamic actuator 2 is significantly increased.

Um einen thermionisch emittierten Elektronenstrom zu produzieren, sind je nach Material und Austrittsarbeit des Materials der Kathode 21 Temperaturen von über 1.000°C erforderlich. Handelt es sich bei dem Medium 4, das durch den elektrohydrodynamischen Aktuator 2 bewegt werden soll, um Luft, so muss das Material der Kathode 21 zudem oxidationsbeständig sein. Insbesondere ist es bei dem Medium Luft sinnvoll, das Material der Kathode 21 so zu wählen, dass die Oxide des Materials bei geringeren Temperaturen verdampfen als das Material selbst. Bei anderen Medien 4 kann es zweckmäßig sein, das Kathodenmaterial als gegenüber dem zu transportierenden Medium 4 chemisch inertes Material vorzusehen. Kathodenmaterialien wie Wolfram, Rhenium, Tantal, thoriertes Wolfram, LaB₆, CeB₆ und dergleichen sind hierfür geeignet. To produce a thermionically emitted electron stream, depending on the material and work function of the material, the cathode 21 Temperatures over 1000 ° C required. Is it the medium 4 by the electrohydrodynamic actuator 2 should be moved to air, so must the material of the cathode 21 also resistant to oxidation. In particular, it makes sense in the medium air, the material of the cathode 21 to be chosen so that the oxides of the material evaporate at lower temperatures than the material itself. For other media 4 It may be appropriate, the cathode material as compared to the transported medium 4 to provide chemically inert material. Cathode materials such as tungsten, rhenium, tantalum, thoriated tungsten, LaB ₆ , CeB ₆ and the like are suitable for this purpose.

Wird das Medium Luft oder ein sonstiges sauerstoffhaltiges Medium verwendet, kann es notwendig sein, die Kathode mit einem Strom von Schutzgas X zu spülen. Dazu kann eine Spüleinrichtung 5 vorgesehen sein, die an der Kathode 21, insbesondere seitlich zur Kathode 21, angeordnet ist, um einen kontinuierlichen Strom von Schutzgas an der Kathode 21 vorbeizuleiten, um eine Oxidation des Materials der Kathode 21 zu vermeiden. Im Allgemeinen soll das Schutzgas so beschaffen sein, um eine chemische Reaktion des Mediums 4 mit dem Material der Kathode 21 zu unterbinden. If the medium air or other oxygen-containing medium is used, it may be necessary to flush the cathode with a stream of inert gas X. This can be a purging device 5 be provided at the cathode 21 , in particular laterally to the cathode 21 , is arranged to provide a continuous flow of inert gas to the cathode 21 To pass to an oxidation of the material of the cathode 21 to avoid. In general, the shielding gas should be such as to provide a chemical reaction of the medium 4 with the material of the cathode 21 to prevent.

Eine niedrigere Austrittsarbeit des Kathodenmaterials ermöglicht es, die Arbeitstemperatur zu verringern und damit die Lebensdauer des Aktuatorsystems 1 zu erhöhen. A lower work function of the cathode material makes it possible to reduce the working temperature and thus the life of the actuator system 1 to increase.

In den oben gezeigten Anordnungen von elektrohydrodynamischen Aktuatoren 2 kann es vorteilhaft sein, die Kathode 21 auf einem Erdpotenzial bzw. Massepotenzial zu halten und die Anode 22 mit einer entsprechenden Feldspannung U_Feld zu versehen. Bei einem elektrischen Heizen der Kathode 21 mithilfe eines Heizstromes kann daher darauf verzichtet werden, die Heizstromversorgung auf Hochspannung zu isolieren. In the arrangements of electrohydrodynamic actuators shown above 2 it may be beneficial to the cathode 21 at an earth potential or ground potential and the anode 22 to be provided with a corresponding _field voltage U _field . When electrically heating the cathode 21 By using a heating current, it is therefore possible to dispense with isolating the heating current supply to high voltage.

Die 2 zeigt eine konkrete Ausführung der Anordnung der Kathode 21 und der Anode 22, wobei die Kathode 21 als Drahtkathode ausgeführt ist. Die Anode 22 ist plattenförmig als Anodenplatte ausgebildet, wobei die Seitenflächen (Hauptflächen) der Anodenplatte im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung S des Medienstroms, d. h. in Strömungsrichtung S angeordnet sind, um einen geringen Strömungswiderstand für das Medium 4 bereitzustellen. Durch das Vorsehen der Kathode 21 als Drahtkathode kann erreicht werden, dass die Feldstärke im Bereich der thermionisch erzeugten Elektronenwolke am größten ist. The 2 shows a concrete embodiment of the arrangement of the cathode 21 and the anode 22 , where the cathode 21 is designed as a wire cathode. The anode 22 is plate-shaped as an anode plate, wherein the side surfaces (main surfaces) of the anode plate are arranged substantially parallel to the flow direction S of the media stream, ie in the flow direction S, to a low flow resistance for the medium 4 provide. By providing the cathode 21 As the wire cathode, it can be achieved that the field strength is greatest in the region of the thermionically generated electron cloud.

In 3 sind eine Querschnittsansicht und eine perspektivische Ansicht eines weiteren elektrohydrodynamischen Aktuators 2 mit einer Anordnung einer Gitteranode als Anode 22 senkrecht zum Medienstrom dargestellt. Dabei liegt die Gitteranode der Drahtkathode gegenüber, wobei sich an den Rändern der Gitteranode Fokussierungsplatten 23 befinden können, die in Richtung des Medienstroms ausgerichtet sind und sich in der von der Drahtkathode abgewandten Richtung von mindestens einem Rand der Gitteranode erstrecken. Die Fokussierungsplatten 23 dienen zum Führen des Medienstroms, so dass eine Strömungsrichtung S vorgegeben werden kann. Zudem können die Fokussierungsplatten 23 einstückig mit der Gitteranode ausgebildet sein, insbesondere aus einem Stanzblech oder dergleichen. In 3 Figure 11 is a cross-sectional view and a perspective view of another electrohydrodynamic actuator 2 with an arrangement of a grid anode as the anode 22 shown perpendicular to the media stream. In this case, the grid anode of the wire cathode is opposite, wherein at the edges of the grid anode focusing plates 23 can be located, which are aligned in the direction of the media stream and extend in the direction away from the wire cathode direction of at least one edge of the grid anode. The focusing plates 23 serve to guide the media flow, so that a flow direction S can be specified. In addition, the focusing plates 23 be formed integrally with the grid anode, in particular from a stamped sheet or the like.

In 4 ist eine weitere Ausführungsform eines elektrohydrodynamischen Aktuators 2 dargestellt. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 3 ist die Anode 22 als Gitteranode ausführt, wobei ein Gitter der Anode 22 gewölbt bzw. als Halbzylinder ausgeführt ist und die Wölbung der Gitteranode in eine von der Kathode 21 abgewandte Richtung weist. Im Wesentlichen kann die Kathode 21 als Drahtkathode entlang oder nahe einer Mittenachse M der halbzylindrischen Gitteranode angeordnet sein. Dadurch kann eine optimale Stromausbeute, d. h. ein optimaler Wirkungsgrad, erreicht werden. In 4 is another embodiment of an electrohydrodynamic actuator 2 shown. In contrast to the embodiment of 3 is the anode 22 performs as a grid anode, wherein a grid of the anode 22 arched or designed as a half-cylinder and the curvature of the lattice anode in one of the cathode 21 facing away. In essence, the cathode can 21 be arranged as a wire cathode along or near a center axis M of the semi-cylindrical grid anode. As a result, an optimum current efficiency, ie optimum efficiency, can be achieved.

In 5 ist die Anordnung nicht geradlinig (in Richtung der Mittenachse M) aus Drahtkathode 21 und gewölbter Gitteranode 22 gemäß 4, sondern in Ringform ausgebildet, was insbesondere beim elektrischen Aufheizen der Drahtkathode 21 eine besonders einfache Zuführung der dafür benötigten elektrischen Anschlussleitungen ermöglicht. Die Wölbung ist dabei in axialer Richtung der Ringform bzw. des gebildeten Ringes ausgebildet. Zudem lässt sich aufgrund des kompakten Aufbaus eine besonders gute Strömungsführung erreichen, zum Beispiel mithilfe eines kreiszylindrischen Führungsrohrs, in dem der ringförmige elektrohydrodynamische Aktuator 2 koaxial eingesetzt ist. In 5 the arrangement is not rectilinear (in the direction of the center axis M) of wire cathode 21 and arched grid anode 22 according to 4 but formed in a ring shape, which in particular during electrical heating of the wire cathode 21 a particularly simple supply of the required electrical connection lines allows. The curvature is formed in the axial direction of the ring shape and the ring formed. In addition, due to the compact construction, a particularly good flow guidance can be achieved, for example by means of a circular-cylindrical guide tube, in which the annular electrohydrodynamic actuator 2 is used coaxially.

In den 6 bis 9 sind verschiedene Ausführungsformen gezeigt, in denen jeweils die Kathode 21 als Nadelkathode bzw. Punktkathode und die Anode 22 als halbkugelförmige Gitteranode oder Plattenanode, wie zuvor beschrieben, ausgeführt ist. In 6 ist die Nadelkathode dabei so angeordnet, dass deren Spitze an oder nahe dem Mittelpunkt eines durch die halbkugelförmige Gitteranode definierten Mittelpunkts liegt. In the 6 to 9 different embodiments are shown, in each of which the cathode 21 as a needle cathode or point cathode and the anode 22 as a hemispherical lattice anode or plate anode, as described above. In 6 the needle cathode is arranged so that its tip is at or near the center of a defined by the hemispherical lattice anode center.

Bei den Ausführungsformen der 7 bis 9 wird auf die Gitteranode verzichtet und die Anode stattdessen als zylinderförmige Anode ausgeführt, wobei die Nadelkathode an einer Verlängerung der Mittenachse M der Ringanode angeordnet wird. In the embodiments of the 7 to 9 is dispensed with the lattice anode and the anode instead designed as a cylindrical anode, wherein the needle cathode is disposed on an extension of the center axis M of the ring anode.

Wie in den Ausführungsformen der 6 bis 9 dargestellt ist, kann die Nadelkathode 21 in verschiedener Weise ausgeführt sein. Insbesondere kann die Nadelspitze, wie in 9 gezeigt, verdickt sein, um den Bereich der thermionisch generierten Elektronenwolke zu vergrößern. As in the embodiments of 6 to 9 is shown, the needle cathode 21 be executed in various ways. In particular, the needle tip, as in 9 shown to be thickened to increase the area of the thermionically generated electron cloud.

Die Nadelkathode kann entweder entlang eines elektrisch beheizbaren Heizdrahtes implementiert, aus einem (z. B. aus dem Heizdraht) gebogenen Drahtstück aufgebaut oder aus einer Wendel geformt sein. The needle cathode may either be implemented along an electrically heatable heating wire, constructed from a piece of wire bent (eg from the heating wire) or formed from a helix.

Grundsätzlich ist es möglich, die Anordnungen aus Kathode 21 und Anode 22 hintereinander sowie zueinander parallel anzuordnen, um die Leistung des elektrohydrodynamischen Aktuators 2 zu erhöhen. In principle, it is possible the arrangements of cathode 21 and anode 22 one behind the other and parallel to each other to arrange the power of the electrohydrodynamic actuator 2 to increase.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 3621244 [0007]
US 3526268 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

E. Moreau, G. Touchard, "Enhancing the Mechanical Efficiency of Electric Wind in Corona Discharges," Journal of Electrostatics, 66 (2008), pp. 39-44 [0003]
NE Jewell-Larsen et al., "Electrohydrodynamic (EHD) Cooled Laptop", IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, 2009, pp. 261-267 [0004]

Claims

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) for moving a liquid or gaseous, dielectric, electrically non-conductive medium ( 4 ), in particular of air, comprising: - a cathode ( 21 ); An anode ( 22 ); and - a heater connected to the cathode ( 21 ) in order to heat up the cathode ( 21 ) to a heating temperature (T _heating ) a thermionic emission of electrons in a surrounding area of the cathode ( 21 ), wherein between the cathode ( 21 ) and the anode ( 22 ) an electric field can be formed in order to move the thermionically emitted electrons into the surrounding area in the direction of the anode ( 22 ) to move.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to claim 1, wherein the field strength of the electric field, in particular in the surrounding area of the cathode ( 21 ), less than is required for triggering a corona discharge.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to claim 1, wherein the field strength of the electric field, in particular in the surrounding area of the cathode ( 21 ), is suitable for triggering a corona discharge, wherein the field strength of the electric field is lower than the breakdown field strength of the medium ( 4 ).

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the material of the cathode ( 21 ) is chosen so that it is opposite the medium ( 4 ) at least up to the heating temperature (T _heating ) is chemically inert or that a compound of a component of the medium ( 4 ) and the material of the cathode ( 21 ) has a lower evaporation temperature than the material of the cathode ( 21 ).

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to claim 4, wherein a purging device ( 5 ) is provided to the cathode ( 21 ) with protective gas.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the heating device is designed to be the cathode ( 21 ) electrically heat, wherein the cathode potential is set to a ground potential.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the cathode ( 21 ) as the wire cathode and the anode ( 22 ) is designed as a grid anode, wherein the grid anode is arranged at least partially transverse to the direction of movement of the electrons.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to claim 7, wherein the grid anode is curved in a direction away from the wire cathode direction and wherein the wire cathode along a defined by the curvature of the grid anode center axis (M) extends.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the cathode ( 21 ) as a point cathode and the anode ( 22 ) is designed as a grid anode, wherein the grid anode is arranged at least partially transverse to the direction of movement of the electrons.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to claim 9, wherein the grid anode is curved in a direction away from the wire cathode, in particular hemispherical, and wherein the point cathode is arranged at a center defined by the curvature of the grid anode.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 7 to 10, wherein at least one focusing plate ( 23 ) is arranged on an edge of the grid anode, which is for guiding a stream of the medium ( 4 ) substantially on the cathode ( 21 ) facing away from the grid anode extends.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the cathode ( 21 ) as a wire cathode or point cathode and the anode ( 22 ) is designed as a plate anode, wherein the plate anode ( 22 ) is arranged perpendicular to the direction of movement of the electrons.

Electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 9 to 10, wherein the point cathode ( 21 ) is formed as a needle connected to the heater, in particular with a thickened tip, as a tip of a bent heating wire of the heater or as a filament from the heating wire of the heater.

Actuator system ( 1 ) with an electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 13 and with a control unit ( 3 ), the control unit ( 3 ) is arranged to drive the heating device in such a way that it generates a temperature (T _heating ), in which thermionically electrons in the surrounding region of the cathode ( 21 ) and to adjust the field strength of the electric field.

Method for operating an electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 13, wherein the heating device is driven to the cathode ( 21 ) to a heating temperature (T _heating ), in which electrons thermionically in a surrounding area of the cathode ( 21 ) are emitted, wherein the field strength of the electric field is set so that it is below a starting voltage for the triggering of a corona discharge.

Method for operating an electrohydrodynamic actuator ( 2 ) according to one of claims 1 to 13, wherein the heating device is driven to the cathode ( 21 ) to a heating temperature (T _heating ), in which electrons thermionically in a surrounding area of the cathode ( 21 ) are emitted, wherein the field strength of the electric field is adjusted so that a corona discharge in the medium ( 4 ) in the surrounding area of the cathode ( 21 ) occurs, so that in addition to the thermionically generated electrons and the charge carriers generated by the corona discharge are moved by the electric field.