DE102019110773A1

DE102019110773A1 - Systeme und vorrichtungen für hochleistungsfähige atmosphärische piezoelektrische dünnschicht-resonanzplasmen zur modulation von luftströmen

Info

Publication number: DE102019110773A1
Application number: DE102019110773.3A
Authority: DE
Inventors: Gayatri V. Dadheech; Bahram Khalighi; Taeyoung Han
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2019-11-07
Also published as: CN110446323A; US10512150B2; CN110446323B; US20190342985A1

Abstract

Systeme und Vorrichtungen zum Anwenden eines Plasma-Stellgliedsystems zum Reduzieren des Luftwiderstands eines Fahrzeugs durch das Entladen von Plasma sind vorgesehen. Das System beinhaltet: mindestens ein Paar Dünnschichten, die zum Integrieren in ein Paar von Elektroden konfiguriert sind, worin jede der Dünnschichten des Paares von Dünnschichten aus einem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial besteht; ein Dielektrikum, das als Isolatorbereich konfiguriert ist, um jede Elektrode, die mit dem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial integriert ist, zu trennen; und eine Stromversorgung zum Zuführen von Wechselstrom zu jeder Elektrode, um eine Hochspannungsleistung bereitzustellen, die durch das mit dem Elektrodenpaar integrierte piezoelektrische Dünnschichtmaterial erhalten wird, worin die Hochspannungsleistung etwa 10kV beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet bezieht sich im Allgemeinen auf Transportfahrzeuge, wie beispielsweise Automobile, und insbesondere auf die Verwendung einer mit einem piezoelektrischen Resonator integrierten Plasmakonfiguration zum Erzeugen von Strahlströmungen um ein Fahrzeug herum, um den aerodynamischen Luftwiderstand zu reduzieren.
EINLEITUNG
Regulierungsbehörden wie die U.S. Environmental Protection Agency (EPA) und die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) des U.S. Department of Transportation erlassen nationale Normen, die Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen erfordern, um die CO2-Belastung zu reduzieren. Um diese nationalen Normen zu erfüllen, werden bei der Fahrzeugkonstruktion Faktoren berücksichtigt, die den Kraftstoffverbrauch beeinflussen, einschließlich des Luftwiderstands. Das heißt, eine Verringerung des Luftwiderstands wirkt sich erheblich auf die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und das Erreichen anderer gewünschter Ziele aus, darunter Verbrauchseinsparungen durch reduzierten Kraftstoffverbrauch beim Betrieb eines Fahrzeugs.
Dementsprechend ist es wünschenswert, einen Luftstrom zum Reduzieren des Luftwiderstands um ein Fahrzeug herum zu erzeugen, indem ein piezoelektrischer Hochspannungstransformator mit einem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial und einem integrierten Isolator verwendet wird, der bei geringem Stromverbrauch eine Leistung im Bereich von 10kV erreicht. Ferner werden andere wünschenswerte Funktionen und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, sowie mit dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich offensichtlich.
KURZDARSTELLUNG
Ein System und eine Vorrichtung in einem Fahrzeug zum Reduzieren des Luftwiderstands des Fahrzeugs wird offenbart.
In einer Ausführungsform wird ein Plasma-Stellgliedsystem zum Reduzieren des Luftwiderstands eines Fahrzeugs durch die Entladung von Plasma offenbart. Das System beinhaltet: mindestens ein Paar Dünnschichten, die zum Integrieren in ein Paar von Elektroden konfiguriert sind, worin jede der Dünnschichten des Paares von Dünnschichten aus einem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial besteht; ein Dielektrikum, das als Isolatorbereich konfiguriert ist, um jede Elektrode, die mit dem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial integriert ist, zu trennen; und eine Stromversorgung, die konfiguriert ist, um Wechselstrom an jede Elektrode zu liefern, um eine Hochspannungsausgabe bereitzustellen, die durch das piezoelektrische Dünnschichtmaterial, das mit dem Elektrodenpaar integriert ist, erhalten wird, worin die Hochspannungsausgabe etwa 10 Kilovolt beträgt.
Die Dünnschichten beinhalten: Metallnitride, Metalloxide, Mischmetalloxide, Metalloxynitride und Mischungen derselben. Die Dünnschichten werden auf der Oberfläche jeder Elektrode des Elektrodenpaares befestigt. Die Stromversorgung liefert aus einer Eingangswechselspannung von 5 V und bei einer Resonanzfrequenz von 60 bis 70 kHz eine Ausgangsspannung von 10kV. Jede Elektrode des Elektrodenpaares ist versetzt oder überlappt die andere. Das entladene Plasma ist ein kaltes Plasma. Das dielektrische Material, welches das Elektrodenpaar trennt, ist mit einem Dünnschichtmaterial und mindestens einer Elektrode des Elektrodenpaares eingebettet. Das Plasma-Stellgliedsystem ist segmentweise als dünnschichtiger Piezotransformator mit dünnschichtigen Stellgliedern konfiguriert. Das System beinhaltet ferner: Modulieren der Leistung der Stromversorgung für die Segmente des piezoelektrischen Transformators und der Dünnschicht-Stellglieder, um den Widerstand über das Fahrzeug zu steuern.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Plasma-Stellgliedvorrichtung zur Minderung negativer aerodynamischer Einflüsse, die von einem Fahrzeug erfahren werden, offenbart. Die Plasma-Stellgliedvorrichtung beinhaltet: eine erste Schicht aus dielektrischem Material; eine zweite Schicht, die Folgendes beinhaltet: eine erste und eine zweite Elektrode, die sich auf der ersten Schicht befinden, worin die erste Elektrode einen Oberflächenbereich aufweist, der vollständig von dem dielektrischen Material der ersten Schicht bedeckt ist, und die zweite Elektrode einen Oberflächenbereich aufweist, der von dem dielektrischen Material der ersten Schicht freigelegt ist; und eine dritte Schicht eines Dünnschichtmaterials, umfassend: ein piezoelektrisches Material mit einer Dicke in einem Bereich von 2 nm bis 2 µm, worin die dritte Schicht sowohl auf den bedeckten als auch auf den unbedeckten Oberflächenbereichen der ersten und zweiten Elektrode integriert ist; und eine Stromversorgung, die eine Spannung über die erste und zweite Elektrode bereitstellt, um über das piezoelektrische Material der dritten Schicht eine kalte Plasmaleistung zu erzeugen. Das piezoelektrische Material beinhaltet: ein Metalloxidmaterial. Die Stromversorgung liefert aus einer Eingangswechselspannung von 5 V und bei einer Resonanzfrequenz von 60 kHz bis 70 kHz, eine Ausgangsspannung von 10 kV. Die erste Elektrode ist von der zweiten Elektrode versetzt. Die erste Elektrode überlappt die zweite Elektrode. Die Vorrichtung beinhaltet ferner: ein links positioniertes Plasmastellglied, das in einer flachen Ausführung in Segmente konfiguriert ist, die es ermöglichen, dass das links positionierte Plasmastellglied mit einer Oberfläche des Fahrzeugs auf der linken lateralen Seite bündig ist, um unerwünschte Luftströmungseinflüsse zu mildern und dadurch den Luftwiderstand über das Fahrzeug zu steuern, worin das links positionierte Plasmastellglied ein Dünnschicht-Stellglied ist. Die Vorrichtung beinhaltet ferner: ein rechts positioniertes Plasmastellglied, das in einer flachen Ausführung in Segmente konfiguriert ist, die es ermöglichen, dass das rechts positionierte Plasmastellglied mit einer Oberfläche des Fahrzeugs auf der rechten lateralen Seite bündig ist, um unerwünschte Luftströmungseinflüsse zu mildern und dadurch den Luftwiderstand über das Fahrzeug zu steuern, worin das rechts positionierte Plasmastellglied ein Dünnschicht-Stellglied ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Plasma-Stellgliedsystem mit einem Dünnschicht-Piezotransformator mit Dünnschicht-Stellgliedern in Segmenten zum Steuern des Widerstands eines Fahrzeugs offenbart. Das Plasma-Stellgliedsystem beinhaltet: mindestens ein Paar von Dünnschicht-Plasmastellgliedern, die in Segmenten konfiguriert sind, die Folgendes beinhalten: ein links positioniertes Dünnschicht-Plasmastellglied, das in einer flachen Ausführung konfiguriert ist, wodurch das links positionierte Dünnschicht-Plasmastellglied mit einer Oberfläche des Fahrzeugs auf der linken lateralen Seite bündig sein kann, um unerwünschte Luftströmungseinflüsse zu mildern; und ein rechts positioniertes Dünnschicht-Plasmastellglied, das in einer flachen Ausführung konfiguriert ist, wodurch das rechts positionierte Dünnfilmstellglied mit einer Oberfläche des Fahrzeugs auf der rechten lateralen Seite bündig sein kann, um unerwünschte Luftströmungseinflüsse zu mildern; worin mindestens ein Paar von Dünnschichten zum Integrieren in ein Elektrodenpaar zum Bilden des Dünnschicht-Piezotransformators und zum Ermöglichen einer Segmentmodulation der Dünnschicht-Plasmastellglieder zum Steuern des Fahrzeugwiderstandes konfiguriert ist, worin der Dünnschicht-Piezotransformator mit den links und rechts positionierten Dünnschicht-Plasmastellgliedern zum Ermöglichen der flachen Ausführung gekoppelt ist, worin jede der Dünnschichten des Paares von Dünnschichten aus einem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial besteht.
Die Dünnschichten beinhalten: Metallnitride, Metalloxide, Mischmetalloxide, Metalloxynitride und Mischungen derselben. Die Dünnschichten werden auf der Oberfläche jeder Elektrode des Elektrodenpaares befestigt. Das Plasma-Stellgliedsystem beinhaltet ferner: ein Paar von Stromversorgungen, die mit den links und rechts positionierten Plasmastellgliedern gekoppelt sind, die aus einer Eingangswechselspannung von 5 V und mit einer Resonanzfrequenz von 60 kHz bis 70 kHz eine Ausgangsspannung von 10 kV bereitstellen, worin jede Elektrode des Elektrodenpaares versetzt ist oder die andere überlappt, worin die links und rechts positionierten Dünnschicht-Plasmastellglieder kaltes Plasma entladen.
Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um ausgewählte Konzepte in einer vereinfachten Form zu beschreiben, die im Folgenden in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden.
Diese Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch beabsichtigt sie, als Hilfsmittel verwendet zu werden, um den Umfang des beanspruchten Gegenstands zu bestimmen.
Weiterhin werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften des Systems und Verfahrens aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und dem vorangegangenen und Hintergrund offensichtlich.
Figurenliste
Die exemplarischen Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin gilt:

1 ist ein schematisches Diagramm einer Querschnittsansicht eines Plasmastellglieds, gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein schematisches Diagramm eines Plasmastellglieds gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine Darstellung der Strömungssteuerung gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine Darstellung eines mit Plasmastellgliedern ausgestatteten Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform; und
5 ist eine Darstellung eines mit Plasmastellgliedern ausgestatteten Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung dient lediglich als Beispiel und soll die Anwendung und Verwendungen nicht einschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, Hintergrund, der Zusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein.
Obwohl die Merkmale der Technologie in erster Linie im Zusammenhang mit Automobilen beschrieben werden, sind die durch die Offenbarung beschriebenen Merkmale nicht nur auf Automobile beschränkt. Die beschriebenen Merkmale gelten für verschiedene bewegliche Objekte, die einen Luftstromwiderstand erfahren; beispielsweise für Flugzeuge, Lastwagen, Anhänger, Baumaschinen und Züge usw. Darüber hinaus können die beschriebenen Merkmale in Einzelfällen auch für stationäre oder statische Objekte anwendbar sein und Luftströmungseffekte erfahren.
Der hierin beschriebene Gegenstand offenbart Vorrichtungen, Systeme, Techniken und Artikel zum Anwenden eines Plasmakonfigurationsdesigns, das in einen piezoelektrischen Resonator integriert ist, der eine wesentliche Kontrollinstanz erzeugt, indem er durch das Erzeugen robuster Strahlströmungen um ein Fahrzeug herum den Luftwiderstand reduziert. Das Plasmakonfigurationsdesign bietet ein sehr kompaktes Plasma-Stellgliedsystem.
Durch die Optimierung der Leistung des Plasmastellglieds wird die aerodynamische Leistung verbessert. Die Optimierung wird durch mehrere Faktoren oder Variablen beeinflusst, die zu einer besseren Plasmaverteilung und -intensität führen und Verbesserungen in den folgenden Bereichen beinhalten: Spannungswellenform, Spannungsamplitude, Frequenz, Elektrodenkonfigurationen, Hintergrundgas, dielektrisches Material, dielektrische Dicke und dielektrische Temperatur. Die Optimierung des Plasmastellglieds realisiert Ergebnisse aus dem gelieferten Signal basierend auf einer Geometrie der Elektroden.
In verschiedenen Ausführungsformen sieht die vorliegende Offenbarung einen verbesserten Kraftstoffverbrauch, eine Verringerung der Emissionen und des CO2-Ausstoßes durch einen geringen Luftwiderstand des Fahrzeugs vor. Das erzeugte Plasmafeld ist angrenzend und bündig zur Fahrzeugoberfläche, da das Plasma-Stellgliedsystem in einer sehr kompakten Struktur aufgebaut ist. Ein piezoelektrischer Hochspannungstransformator vereinfacht die Stromversorgung eines herkömmlichen DC-DC-Wandlers und ermöglicht eine Leistung von 10 kV oder mehr durch die Verwendung eines dünnschichtigen piezoelektrischen Materials und eines integrierten Isolators bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme. Der piezoelektrische Hochspannungstransformator funktioniert mit einer Resonanzfrequenz von 5 V/~60 kHz AC Eingang zu einer piezoelektrischen Quelle, die einen ~10 KV AC Ausgang erzeugt.
In verschiedenen Ausführungsformen können die piezoelektrischen Resonatoren aus einem Dünnschichtmaterial bestehen, das eine kompaktere Transformatorstruktur als normale oder herkömmliche Transformatorstrukturen ermöglicht. So erfordert beispielsweise eine normale oder herkömmliche Transformatorstruktur eine oder zwei Spulen mit einer bestimmten geometrischen Größe und Form, während piezoelektrische Resonatoren in einer flachen, stabförmigen, kubischen, sphärischen oder beliebigen gewünschten oder bevorzugten Ausführung konfiguriert werden können. Dünnschichtmaterialien bieten zusätzliche Flexibilität für eine Vielzahl von Designkonfigurationen des Plasma-Stellgliedsystems.
Die piezoelektrischen Resonatoren sind konfigurierbar und können segmentiert und an eine Vielzahl von Designs und Anwendungen angepasst werden. Die Effizienz wird durch eine bessere Leistungsübertragung verbessert. Das heißt, die Leistungsübertragung ist bei der Piezoelektrik besser, da die Position der Piezoelektrik „nahe“ am Stellglied ist, um minimale/keine Verluste zu vermeiden, als die Positionierung in einem Stromwandler, die einen damit verbundenen Verlust zur Folge hätte.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt die Verwendung einer Halbleiterkopplung zur Leistungsübertragung, die effizienter ist als ein Transformator, der die herkömmliche induktive Kopplung verwendet. Dies liegt daran, dass die Halbleiterkopplung eine verlustfreie Leistungsübertragung ermöglicht und somit eine bessere Leistungseffizienz aufweist
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht eine Kosteneinsparung durch die Integration eines Dünnschichtdesigns in die Plasmastellglieder, das auch mehr Konfigurierbarkeit in kurzen Segmenten ermöglicht, sowie eine Skalierung bei der Implementierung, was wiederum zu Kosteneinsparungen in der Fertigung führt.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Plasmastellglieds zur Reduzierung des Fluidströmungswiderstands, des Luftstroms, wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Der Plasmastellglied 100 erzeugt ein elektrisches Feld, das hoch genug ist, um den elektrischen Zusammenbruch von Umgebungsluftatomen in der Umgebung zu bewirken, wodurch die Luftatome in bewegliche Ionen und Elektronen dissoziiert werden.
Die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 14 sind über zwei getrennte Anschlüsse mit einer Stromquelle 20 verbunden. Eine Dünnschicht 11 ist auf der ersten Elektrode 10 befestigt und integriert und eine Dünnschicht 13 ist ebenfalls auf der zweiten Elektrode 14 integriert und befestigt. Während die Stromquelle 20 so konfiguriert werden kann, jede aus einer Vielzahl möglicher Ausgangsleistungen zu liefern, kann die Stromquelle 20 in verschiedenen Ausführungsformen 10 kV effektiv liefern. Die Stromquelle 20 ist eine Wechselstromquelle. Das Plasmastellglied 100, das mit der Wechselstromquelle 20 verbunden ist, erzeugt eine größere Körperkraft bei einer viel niedrigeren Spannung als die Wechselstrom-Plasmastellglieder. In einer exemplarischen Ausführungsform beträgt die Leistungsaufnahme des gepulsten Gleichstrom-Plasmastellglieds mit 40 Zoll langer Elektrode etwa 1 kW und ist etwa 100-mal kleiner als bei den Wechselstrom-Plasmastellgliedern. Da der Luftstrom 16 über das Plasmastellglied strömt, wenn die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 14 durch die Stromquelle 20 mit den Dünnschichten bestromt werden, wird der Luftstrom 16 durch die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 14 ionisiert, wodurch ein Plasmabereich 22 entsteht, der sich von einem Rand der ersten Elektrode 10 aus erstreckt. In einer exemplarischen Ausführungsform beträgt die Dicke der Elektrode, gemessen von oben nach unten in 1, etwa 0,1 mm, die Dicke der dielektrischen Schicht, gemessen von oben nach unten in 1, variiert von ca. 0,1 mm bis etwa 6 mm je nach Größe der Spannung der Stromquelle. Die dielektrische Schicht ist in verschiedenen Ausführungsformen mit einer ausreichenden Dicke konfiguriert, um einen Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden 10, 14 zu verhindern. Die Breite der Elektrode, gemessen von einer Seite zur anderen Seite in 1, beträgt etwa 25 mm.
Das Plasmastellglied 100 erzeugt das elektrische Feld mit einer ersten Elektrode 10, die von einer Dünnschicht 11 bedeckt ist, die den freiliegenden Bereich der ersten Elektrode 10 bedeckt. Der freiliegende Bereich der ersten Elektrode 10 ist dem Luftstrom 16 zugewandt und erzeugt das elektrische Feld. Anschließend wird eine zweite Elektrode 14 in ein Dielektrikum 12 mit einer Dünnschicht 13 eingebettet, die mindestens eine Oberfläche der zweiten Elektrode 14 bedeckt, die teilweise dem Luftstrom 16 zugewandt ist, und die zweite Elektrode 14 des Plasmastellglieds ruht auf einem Substrat 18. Die zweite Elektrode 14 kann sich zur Unterseite der dielektrischen Schicht 12 erstrecken und das Substrat 18 berühren, wie in 1 dargestellt. Das Substrat 18 und jedes andere Teil oder Teile des Plasmastellglieds können flexibel sein, beispielsweise zum Anpassen an die Abmessungen einer Zielkomponente eines Fahrzeugs geformt. Die Dünnschichten 11 und 13 können einen Teil oder alle der jeweiligen Elektroden bedecken. Die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 14 können in einer Vielzahl von Ausformungen und Formen konfiguriert werden, solange das erzeugte elektrische Feld stark genug ist. Die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 14 bilden eine dielektrische Barrierenentladung (DBD), wie in 1 dargestellt, wobei die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 14 als zwei flache Elektroden konfiguriert sind, wobei eine länger sein kann als die andere und die durch eine isolierende dielektrische Schicht des dielektrischen 12 getrennt sind. Diese Konfiguration kann als Plasmastellglied 100 bezeichnet werden. Das Plasmastellglied 100 ist in eine Oberfläche eingebettet, sodass nur eine freiliegende Elektrode, die erste Elektrode 10, übrig bleibt. Durch Anlegen einer alternativen Hochspannung zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 14 kann ein Plasma gehalten werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Plasma unter Zusatz der Dünnschichten 11 und 13 über einen längeren Zeitraum gehalten werden. Die Betätigungskraft ist ein direktes Ergebnis des elektrischen Feldes im Plasma in Bereichen mit einer Nettoladungsdichte. Die Kraft auf dem Plasma wird durch Kollisionen zwischen den Ionen und den neutralen Molekülen auf das neutrale Hintergrundgas übertragen
In einer exemplarischen Ausführungsform wird das elektrische Feld durch die Funktion E(x, t) zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 14 mit einer konstanten Ladungsdichte q(x) dargestellt. Es wird dann davon ausgegangen, dass die Stärke der Kraft linear von einem Maximum am Rand der freiliegenden Elektrode abnimmt, sodass f(x) = (f(0) - kiX - k₂Y), wobei K₁ und K₂ zwei Konstanten sind, die definieren, wie schnell die Stärke der Kraft vom Stellglied abnimmt.
Die Dünnschichten können aus Mischungen aus Aluminiumnitrid, Titandioxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid, Titanoxynitrid, Wismut-Eisenoxid, Kupferoxid, Mischmetalloxid mit Titan, Eisen, Zink, Barium, Zirkonium, Hafnium, Silizium, Kalium, Barium usw. und anderen metallischen Kombinationen und Mischungen derselben bestehen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die Metalle und Verbindungen können im Handel erhältlich sein oder durch empirische Tests hergestellt werden.
Das Schichtmaterial ist ein Materialstapel von etwa 5 bis 7 Schichten, der eine Kombination aus einem flexiblen und einem starren Material beinhaltet, um eine erhebliche Verformung der Struktur beim Übertragen einer Ausgangshochspannung von 10kV oder höher zu ermöglichen. Darüber hinaus kann keramisches Material, wie beispielsweise ein Aluminiumnitrid (AlN), das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, aber als einzigartig starkes Dielektrikum gilt, je nach gewünschter Leistung mit Kohlenstoff oder anderen Materialien, einschließlich Piezopolymeren, gestapelt werden. Der Modul (d. h. die Messung der Elastizität) der Schicht und die entsprechenden biegsamen Eigenschaften wie eine kompressible Federstruktur können in der Stapelung verwendet werden. Das heißt, das Dünnschichtmaterial kann ähnlich wie das gewählte Material in Stapeln mit einer Dicke von bis zu 20 nm bis 5 Mikrometern konzipiert werden. Darüber hinaus können auch dünnere Materialschichten verwendet werden, die in Fällen, in denen mehr Schichten aus einem Dünnschichtmaterial erforderlich sind oder benötigt werden, besser sind. Die Dünnschicht ermöglicht die Verwendung einer höheren Frequenz von Piezokristallen.
Die Dünnschicht kann durch ionenstrahlgestützte Sputterprozesse und andere üblicherweise verwendete ionengestützte Abscheideverfahren abgeschieden werden. Andere Herstellungsverfahren wie oder einschließlich: Hochfrequenz-Magnetronsputtern (RF), gepulstes DC-Sputtern, gepulste Laserabscheidung, Atomschichtabscheidung (ALD) usw. können ebenfalls verwendet werden. Die Schichtdicke 2-10 nm wäre die bevorzugte Schichtdicke mit einer Gesamtschichtdicke von < 50 nm für eine nanoskalige piezoelektrische Vorrichtung. Diese Art der Konfiguration des Dünnschichtstapels wäre vorhanden. Die Spannungsverstärkung wäre die Länge multipliziert mit Schichten dividiert durch die Dicke der Schichten und die Konstante. Die Spannungsverstärkung wird wie folgt ausgedrückt: $V_{erstärkung} = \frac{(L ä n g e) (S c h i c h t e n)}{D i c k e} \times g, w o b e i : g e i n M a t e r i a l k o e f f i z i e n t d e r D i c k e i s t .$
Ebenso sind ein geringerer Durchbruchsspannungsbedarf und das Nichtvorhandensein eines starken Dauerstroms, der zu einer höheren Leistungsaufnahme und Elektrodenkorrosion führen würde, Gründe für einen alternativen und nicht direkten Betrieb. Die Größe der Elektroden liegt typischerweise in der Größenordnung von 1 bis 10 Zentimeter für die Durchflussbetätigung, und die verwendete Spannung liegt im Bereich von 10kV bei einer alternativen Frequenz von etwa 70 kHz. Die Dünnschichten weisen eine Dicke von 2 nm bis 10 nm auf.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Vorderkante der ersten Elektrode 10 beabstandet (seitlich in der Ansicht von 1) zu einer Vorderkante der dielektrischen Schicht 12 angeordnet. Der durch die Kraft erzeugte Impuls wird über die freiliegende Elektrode auf die eingebettete Elektrode geleitet, auch wenn eine alternative Spannung angelegt wird. Dies wird durch die Asymmetrie zwischen den beiden Elektroden verursacht. Dadurch kann das Stellglied verwendet werden, um einen stromabwärts gerichteten Strahl von der freiliegenden Elektrode für den erforderlichen gerichteten Strahl zu erzeugen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Vorderkante der zweiten Elektrode 14 unterhalb oder angrenzend an eine Hinterkante (in Richtung des Luftstroms 16) der ersten Elektrode 10 in Richtung des Luftstroms 16 im Betrieb. In einigen Implementierungen sind die Elektroden so angeordnet, dass sie sich zumindest teilweise überlappen (in einer vertikalen Richtung der Ansicht von 1) und in anderen so, dass sie einander überhaupt nicht überlappen.
2 zeigt ein weiteres Schema des Plasmastellglieds 200 der vorliegenden Ausführungsform gemäß der Offenbarung. 2 zeigt das piezoelektrische Entladungssystem und ist in Verbindung mit Elementen von 1 einer ersten Elektrode 10 dargestellt, die über einer dielektrischen Schicht 24 angeordnet ist und eine Oberfläche aufweist, die freigelegt und dem Luftstrom 16 ausgesetzt ist, und einer zweiten Elektrode 14, die zumindest teilweise innerhalb eines Substrats 18 angeordnet ist. Das Substrat 18 kann kleiner als die dielektrische Schicht 24 sein. Die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 14 sind mit der Stromquelle verbunden 210, was eine Wechselstromquelle von 5 V ist, die mit einer Frequenz von 60 Khz oszilliert. Ein Verstärker 220 erhöht die Spannung auf 50 V vor dem Aufwärtstransformator 230. Der Aufwärtstransformator 230 erhöht die Spannung mit dem piezoelektrischen Resonator auf 10 kV. Das elektrische Feld wird neben oder angrenzend an den Isolator 240 erzeugt und die ionisierten Ionen befinden sich im Plasma 250. Ähnliche wie bereits für 1 beschrieben; in 2, da der Luftstrom 16 über die erste Elektrode 10 und die Elektroden mit den Dünnschichten bestromt werden, wird die Luft ionisiert und bildet ein Plasma 250 nach der Hinterkante der ersten Elektrode 10. Das Plasma bringt Energie in die Grenzschicht des Luftstroms ein und verzögert so den Strömungsabriss.
3 veranschaulicht den Luftstrom über die Elektroden. Da der Luftstrom 316 über das Dünnschichtmaterial 311 auf der Oberseite der ersten Elektrode 310 strömt und die Elektroden mit dem Dünnschichtmaterial 311 bestromt werden, wird die Luft ionisiert und bildet einen Plasmabereich 322 an der Hinterkante der ersten Elektrode 310. Die Plasmaeinspritzung von Energie in die Grenzschicht des Luftstroms verzögert die Strömungsablösung. Piezoelektrisches Entladungsplasma ist eine Kalt-Plasma-Luftentladung eines piezoelektrischen Hochspannungstransformators. Die Leistung von 10 kV wird erreicht und das piezoelektrische Dünnschichtmaterial und der Isolator werden zusammen integriert. Die Leistung von 10 kV oder mehr kann mit einem dünnen piezoelektrischen Material und einem integrierten Isolator erreicht werden, wobei nur ein geringer Stromverbrauch erforderlich ist. Die zweite Elektrode 314 ist mit der Dünnschicht 315 integriert und befindet sich innerhalb des Substrats 318. Die erste Elektrode 310 und die zweite Elektrode 314 sind mit der Stromquelle 320 verbunden. Die relativ hohe erforderliche Spannung wird durch eine Halbleiterkopplung zur Leistungsübertragung erzeugt, die effizienter ist als ein Transformator, der die induktive Kopplung nutzt. Die Halbleiterübertragung weist eine bessere Energieeffizienz auf
4 veranschaulicht eine Fahrzeugkarosserie mit Plasmastellgliedern auf unterschiedlichen Flächen. Das Plasmastellglied ist in einer flachen Ausführung konfiguriert, die es ermöglicht, dass das positionierte Plasmastellglied mit einer Oberfläche eines Fahrzeugs auf einer lateralen Seite bündig ist, um ungünstige Auswirkungen des Luftstroms zu mildern. Als erstes Beispiel kann das Plasmastellglied auf bündigen A-Säulen 440 angeordnet werden, um alle Wirbelbereiche zu verringern, die im Allgemeinen um die A-Säulen 440 auftreten. Das Plasmastellglied kann insbesondere an oder angrenzend jeder A-Säule positioniert werden, etwa indem es leicht vor oder hinter der Säule positioniert wird. Das Plasmastellglied kann so konfiguriert werden, dass es sich entlang aller verschiedenen Längen der Säule einschließlich wesentlich entlang der gesamten Säule erstreckt, wie in 4 gezeigt. Das Plasmastellglied ist in verschiedenen Ausführungsformen gekrümmt und/oder entsprechend den Abmessungen der Säule anders geformt, und/oder der Plasma-Aktuator besteht aus Materialien (einige oder alle), um den Plasma-Aktuator ausreichend flexibel zu machen, so dass er bündig genug geformt werden kann (z. B. mit der Biegung der Säule gebogen). Ein Plasma-Aktuator gemäß der vorliegenden Technologie kann an allen Fahrzeugsäulen verwendet werden, etwa auch an einer oder mehreren der B-Säulen und C-Säulen.
Ein Plasmastellglied kann auch um den Frontkotflügel 442 angeordnet werden, um die Strömungsabrisskante der vorderen Reifen zu steuern und die Wirbelschleppe der vorderen Reifen zu verringern. Das Plasmastellglied kann bei oder angrenzend zur Schürze und entlang einer Länge davon angeordnet werden. Und wiederum ist das Plasmastellglied in verschiedenen Ausführungsformen gekrümmt und/oder entsprechend den Abmessungen der Schürze anders geformt, und/oder das Plasmastellglied besteht aus Materialien (einige oder alle), um das Plasmastellglied ausreichend flexibel zu machen, so dass es bündig genug geformt werden kann (z. B. mit der Biegung der Schürze gebogen). In solchen Fällen kann das Plasmastellglied rund um die entsprechende Fahrzeugkomponente positioniert werden - z. B. um die Schürze.
Ein Plasmastellglied kann ferner an oder angrenzend zum hinteren Kotflügel 444 (z. B. eine führende Oberkante des hinteren Kotflügels) angeordnet werden, und/oder ein Plasmastellglied kann auch an oder angrenzend zur Hinterkante des hinteren Kotflügels 446 angeordnet werden, um den Strömungsabriss der hinteren Strömung der Wirbelschleppenbereichschicht und des resultierenden Wirbelschleppenbereichs zu steuern. Das Plasmastellglied ist wieder an oder angrenzend zum hinteren Kotflügel oder der Hinterkante des hinteren Kotflügels und entlang einer Länge davon positionierbar. Und wieder ist das Plasmastellglied in verschiedenen Ausführungsformen gekrümmt und/oder anders geformt entsprechend den Abmessungen des Kotflügels oder der Kante, und/oder das Plasmastellglied besteht aus Materialien (einige oder alle), die das Plasmastellglied ausreichend flexibel machen, um bündig genug mit dem hinteren Kotflügel oder der Hinterkante des hinteren Kotflügels geformt zu werden (z. B. mit einer Biegung des hinteren Kotflügels oder der Hinterkante des hinteren Kotflügels gebogen). Plasmastellglieder können in solchen Fällen rund um die entsprechende Fahrzeugkomponente positioniert werden - z. B. um den hinteren Kotflügel oder die Hinterkante des hinteren Kotflügels.
Das Plasmastellglied kann an vielen anderen Stellen an der Karosserie eines Automobils angeordnet werden, wo Luftströmungsstörungen auftreten können. Beispielsweise veranschaulicht 5 exemplarische Stellen auf exponierten Fahrzeugoberfläche(n) unter dem Chassis eines Automobils, an denen das Plasmastellglied angeordnet werden kann. Das Plasmastellglied kann unter dem Frontspoiler 550 rund um die Unterboden-Planken 552, 554, 556 angeordnet werden. Durch Anordnen des Plasmastellglieds an diesen Stellen unter dem Chassis kann die Luftströmungsstörung verringert und folglich der Luftwiderstand reduziert werden.
Ausführungen der vorliegenden Offenbarung können hierin als funktionale und/oder logische Blockkomponenten und verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben sein. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl an Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die zur Ausführung der erforderlichen Funktionen konfiguriert sind. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eines Systems oder einer Komponente verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, beispielsweise Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Wertetabellen oder dergleichen, einsetzen, die mehrere Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuervorrichtungen durchführen können. Zudem werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl an Systemen eingesetzt werden können, und dass das hierin beschriebene System lediglich eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
In diesem Dokument können relationale Begriffe, wie erste und zweite und dergleichen, nur verwendet werden, um eine Entität oder Handlung von einer anderen Entität oder Handlung zu unterscheiden, ohne zwangsläufig eine solche Beziehung oder Ordnung zwischen solchen Entitäten oder Handlungen zu erfordern oder implizieren zu müssen. Nummerische Ordinalzahlen, wie „erste“, „zweite“, „dritte“ usw., bezeichnen einfach verschiedene Singles einer Vielzahl und bedeuten keine Reihenfolge oder Sequenz, wenn dies nicht ausdrücklich durch die Anspruchssprache definiert ist. Die Abfolge des Textes in einem der Ansprüche bedeutet nicht, dass Prozessschritte in einer zeitlichen oder logischen Reihenfolge nach einer solchen Sequenz durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie ist spezifisch durch die Anspruchssprache definiert. Die Verfahrensschritte können in beliebiger Reihenfolge ausgetauscht werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, solange ein solcher Austausch nicht der Anspruchssprache widerspricht und nicht logisch unsinnig ist.
Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.

Claims

Plasma-Stellgliedsystem zum Reduzieren des Luftwiderstands eines Fahrzeugs durch Entladen von Plasma, wobei das System Folgendes umfasst: mindestens ein Paar von Dünnschichten, die zum Integrieren in ein Paar von Elektroden konfiguriert sind, worin jede der Dünnschichten des Paares von Dünnschichten aus einem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial besteht; ein Dielektrikum, das als Isolatorbereich konfiguriert ist, um jede Elektrode, die mit dem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial integriert ist, zu trennen; und eine Stromversorgung, die konfiguriert ist, um Wechselstrom an jede Elektrode zu liefern, um eine Hochspannungsausgabe bereitzustellen, die durch das piezoelektrische Dünnschichtmaterial, das mit dem Elektrodenpaar integriert ist, erhalten wird, worin die Hochspannungsausgabe etwa 10 Kilovolt beträgt.
System nach Anspruch 1, worin die Dünnschichten Folgendes umfassen: Metallnitride, Metalloxide, Mischmetalloxide, Metalloxynitride und Mischungen derselben.
System nach Anspruch 2, worin die Dünnschichten an der Oberfläche jeder Elektrode des Elektrodenpaares befestigt sind.
System nach Anspruch 1, worin die Stromversorgung eine Ausgangsspannung von 10 kV aus einer Eingangswechselspannung von 5 V und mit einer Resonanzfrequenz von 60 bis 70 kHz liefert.
System nach Anspruch 1, worin jede Elektrode des Elektrodenpaares versetzt oder überlappend ist.
System nach Anspruch 1, worin das entladene Plasma ein kaltes Plasma ist.
System nach Anspruch 1, worin das dielektrische Material, welches das Elektrodenpaar trennt, mit einem Dünnschichtmaterial und mindestens einer Elektrode des Elektrodenpaares eingebettet ist.
System nach Anspruch 1, worin das Plasma-Stellgliedsystem in Segmenten als dünnschichtiger Piezotransformator mit Dünnschicht-Stellgliedern konfiguriert ist.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend: Modulieren der Leistung der Stromversorgung für die Segmente des piezoelektrischen Transformators und der Dünnschicht-Stellglieder, um den Widerstand über das Fahrzeug zu steuern.f
Plasma-Stellgliedvorrichtung zur Minderung negativer aerodynamischer Einflüsse, die von einem Fahrzeug erfahren werden, wobei die Plasma-Stellgliedvorrichtung Folgendes umfasst: eine erste Schicht aus einem dielektrischen Material; eine zweite Schicht, umfassend: eine erste und eine zweite Elektrode, die sich auf der ersten Schicht befinden, worin die erste Elektrode einen Oberflächenbereich aufweist, der vollständig von dem dielektrischen Material der ersten Schicht bedeckt ist, und die zweite Elektrode einen Oberflächenbereich aufweist, der von dem dielektrischen Material der ersten Schicht freigelegt ist; und eine dritte Schicht aus einem Dünnschichtmaterial, umfassend: ein piezoelektrisches Material mit einer Dicke in einem Bereich von 2 nm bis 2 µm, worin die dritte Schicht sowohl auf den bedeckten als auch auf den freigelegten Oberflächenbereichen der ersten und zweiten Elektroden integriert ist; und eine Stromversorgung, die eine Spannung an der ersten und zweiten Elektrode bereitstellt, um über das piezoelektrische Material der dritten Schicht eine Ausgabe von kaltem Plasma zu erzeugen.