JP2010517241A - 静電ガスポンプのための輪郭づけられた電極 - Google Patents

Abstract

本発明は、尖った電極と尖っていない電極との間のガスギャップにおいてコロナ放電が行われることにより、それらの電極を有する静電ポンプによって高いガスフローレートを達成する。いくつかの観点にしたがうと、本発明は、尖った（コロナ）電極と、尖っていない電極の中和表面との間で、一定またはほぼ一定の距離を維持するように輪郭づけられた、特別に成形された、尖っていない電極を備える。輪郭は、コロナ電極において最大の電界増強を提供し、尖っていない電極における電界を最小化する。これは、非アーク動作電圧を最大化し、コロナ放電の最大出力を増加させる。輪郭はまた、隣接するコロナ電極を絶縁し、それらの電界が互いに干渉することを防ぎ、デバイスのポンプ能力をさらに向上させる電極の密度を増加させることを可能にする。

Description

関連出願に対する相互参照

本出願は、２００７年１月２３日に出願された、米国仮出願第６０／８８６，２０４号からの優先権を主張し、その内容は、全体として参照によりここに組み込まれている。

発明の分野

本発明は、静電ガスポンプに関し、より詳細には、静電ガスポンプにおいてより大きなガスフローレートを生成させる方法および装置に関する。

背景

静電ガスポンプは、１つ以上の、尖った（コロナ）電極と、尖っていない（中和）電極とで構成されている。電界が２つの電極の間に加えられて、鋭い電極の近くで、コロナ放電と呼ばれる、ガスの部分的な破壊が生じる。放電は、中和電極に引き付けられるイオンを生成させる。途中で、イオンは中性の気体分子と衝突し、機械的なファンにより生成されるのと類似する圧力ヘッドおよびフローを生成させる。

全体として参照により内容がここに組み込まれている、“電磁流体力学的ガスフロー冷却システム”と題する、２００６年１月２３日の米国特許出願第１１／３３８，６１７号は、静電ガスポンプの技術の状態を劇的に向上させている。それにもかかわらず、本発明者は、いくつかの改良の機会が残っていることを認識している。例えば、上述した同時継続中の出願において記述したものを含む、コロナ電極を使用する先行技術のガスポンプにおいて、尖っていない電極は一般的に、平坦な表面であるか、または事実上平坦な表面である。平坦な表面の電極は、コロナ電極から等距離ではない。したがって、それは、コロナ電極において追加の電界増強を提供せず、より高い電圧を使用して、輪郭づけられる電極と同じイオン電流を取得しなければならない。平坦な電極は、イオン化領域を制限せず、そのため、それは低い電圧でアークし、より小さいポンプ能力を有する。最後に、平坦な電極は、隣接する電極を絶縁せず、これは、電極間ではるかに大きな間隔を必要とし、総イオン電流とポンプ能力とを再度減少させる。

他の先行技術のアプローチは、本発明者によって認識された問題を識別せず、理解せず、および／または解決しようと試みない。例えば、“静電流体加速器”と題する、２００５年５月３日付けの米国特許第６，８８８，３１４号は、平板の尖っていない電極間中にワイヤタイプのコロナ電極を置くことにより、それらを絶縁することを記述している。この特許は、コロナ電極での電界を増強するための、尖っていない電極の輪郭を示唆していない。さらに、コロナのワイヤおよび平板電極は、平行に伸びている。平板の間隔は、電気に関する考慮により決定される。この特許は、コロナのワイヤが尖っていない電極に対して垂直に伸びている実施形態を実現することを示唆しておらず、そのような実施形態を実現できない。このことは、この発明の任意の実施形態が、フロー、熱伝導などに対して最適化されることを妨げる。

したがって、とりわけ、本発明によって識別される問題に対処できる静電ガスポンプに対する技術的必要性が残存している。

本発明は、尖った電極と尖っていない電極との間のガスギャップにおいてコロナ放電が行われることにより、それらの電極を有する静電ポンプによって高いガスフローレートを達成する。いくつかの観点にしたがうと、本発明は、尖った（コロナ）電極と、尖っていない電極の中和表面との間で、一定またはほぼ一定の距離を維持するように輪郭づけられた、特別に成形された、尖っていない電極を備える。輪郭は、コロナ電極において最大の電界増強を提供し、尖っていない電極における電界を最小化する。これは、非アーク動作電圧を最大化し、コロナ放電の最大出力を増加させる。輪郭はまた、隣接するコロナ電極を絶縁し、それらの電界が互いに干渉することを防ぎ、デバイスのポンプ能力をさらに向上させる電極の密度を増加させることを可能にする。

本発明のこれらおよび他の観点および特徴は、添付図面とともに本発明の特定の実施形態の以下の説明を検討するとき、当業者に明らかになるだろう。

図１Ａは、本発明の観点にしたがった、ワイヤタイプの尖った電極とともに用いる、輪郭づけられた、尖っていない電極を図示する。 図１Ｂは、本発明の観点にしたがった、ワイヤタイプの尖った電極とともに用いる、輪郭づけられた、尖っていない電極を図示する。 図２は、図１中で示したような、輪郭づけられた、尖っていない電極を使用する静電ポンプの可能性のある実施形態を図示する。 図３は、図１中で示したような、輪郭づけられた、尖っていない電極を使用する静電ポンプの可能性のある実施形態を図示する。 図４Ａは、本発明の観点にしたがった、輪郭づけられた、尖っていない電極とともに使用できるコロナ電極に対する、押し出し成形タイプの断面図の例を示す。 図４Ａは、本発明の観点にしたがった、輪郭づけられた、尖っていない電極とともに使用できるコロナ電極に対する、押し出し成形タイプの断面図の例を示す。 図４Ａは、本発明の観点にしたがった、輪郭づけられた、尖っていない電極とともに使用できるコロナ電極に対する、押し出し成形タイプの断面図の例を示す。 図５は、本発明の実施形態において使用できる突出点タイプの電極を有するコロナ電極の構成を図示する。 図６は、本発明の他の可能性のある実施形態にしたがった、複数の点のようなコロナ電極とそれぞれ対になっている、複数の輪郭づけられた、尖っていない電極を有する静電ポンプを図示する。

好ましい実施形態の詳細な説明

当業者が本発明を実行することを可能にするために本発明の実例となる例として提供される図面に関連して、本発明をこれから詳細に記述する。特に、以下の数字および例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定することを意味しておらず、記述したまたは図示した要素のうちのいくつかまたはすべての交換により、他の実施形態が可能である。さらに、本発明のいくつかの要素が既知のコンポーネントを使用して部分的にまたは完全に実現できる場合、本発明の理解のために必要であるそのような既知のコンポーネントのそれらの部分だけを記述し、本発明を不明瞭にしないように、そのような既知のコンポーネントの他の部分に関する詳細な説明を省略するだろう。本明細書において、単一のコンポーネントを示している実施形態を限定的であると考えるべきではなく、むしろ、ここで違ったことが明示的に述べられていない限り、本発明は、複数の同じコンポーネントを含んでいる他の実施形態を包含するように向けられており、逆の場合も同様である。さらに、出願人は、明細書または特許請求の範囲中の任意の用語が、それ自体明示的に示していない限り、普通ではないまたは特別の意味に帰することを意図していない。さらに、本発明は、実例としてここで参照される既知のコンポーネントに対する、現在および将来の既知の均等物を包含する。

いくつかの一般的な観点にしたがうと、本発明は、コロナ電極から一定またはほぼ一定の距離に位置する、先頭の表面のかなりの部分を有する、特別に成形された、尖っていない電極を使用する。一般に、先頭の表面は、コロナ電極に最も近く、かつ、電気力線の大部分が（極性次第で）開始または終了する、尖っていない電極の部分である表面を備える。

図１Ａおよび１Ｂは、尖っていない電極１０２とコロナ電極１０４とを有する静電ポンプにおける本発明のいくつかの観点を図示する。先行技術におけるような平坦な形状を有するものではない、尖っていない電極１０２は、コロナ電極１０４と向き合う、輪郭づけられた中和表面１０６を有している。

特に、図１Ａ中の断面ライン１Ｂ−１Ｂに沿って取得される図１Ｂ中で示したように、コロナ電極１０４と向き合う、尖っていない電極１０２の表面１０６は、コロナ電極１０４上の所定の点との間の距離ｄが、直接その点の真下にある、尖っていない電極１０２の表面１０６上のすべての点において実質的に同一であるように輪郭づけられている。したがって、図１Ａ中で示したように、コロナ電極１０４の所定の長さに対して、尖っていない電極１０２の中和表面１０６の輪郭は、中空の部分的な円筒の内部の部分に類似しており、部分的な円筒は、所定の長さに対応する高さを有している。

コロナ電極１０４上の所定の点から表面１０６上のすべての点の間でｄが実質的に同一であるとき、それゆえに、図１Ａ中の角度θは、コロナ電極１０４を中心とするアークのサイズを規定するものと考えることができる。理論的には、角度θは、０°より大きい３６０°までの任意の値とすることができる。一般に、発明者は、コロナ電極における電界増強が、θが増加するにつれて増加することに注目する。輪郭づけられた、尖っていない電極によって与えられる、（示していない）隣接するコロナ電極間の絶縁も、θが増加するにつれて増加する。しかしながら、θが１８０°を超えて増加するとき、イオンのいくつかは上流の方向に引き付けられることが開始され、ガスフローに悪影響を及ぼすことを、本発明者はさらに認識している。それゆえに、増加するθ、イオン電流の増加、およびより優れている絶縁、の正の観点が、特定の応用に対して適切な幾何学的配置に到達するために、負の観点に対して重きがおかれることが好ましい。

静電ガスポンプにおける本発明の原理の例示的な構成において、本発明者は、デバイスを通る、静電の空気フローパスに対して考慮を払うべきであることを認識している。例えば、一般的な輪郭形状を維持しながら、尖っていない電極を通る通路を設けるべきである。

図２は、本発明の観点にしたがった、静電ガスポンプの１つの例示的な実施形態を図示する。この例において、ポンプ２００は、コロナ電極２０４に対して垂直に伸びている、一連の平行な、尖っていない電極のフィン２０２を用いる。理解できるように、各フィン２０２は、図１Ａおよび１Ｂに関して上述したようなコロナ電極のそれぞれと向き合う、輪郭づけられた中和表面を有する。尖っていない電極のフィン２０２の間の間隔は、チャネル２０６を規定し、全体的な構成は、電極間の複数の平行な静電放電のアレイを提供する。チャネル２０６はさらに、静電ポンピング動作の結果として、大きな矢印によって図示した方向に、デバイスを通してガスを効率的に流すことを可能にする。この実施形態はまた、コロナ電極２０４を実現するコロナワイヤのアレイを示している。

図３は、本発明にしたがった、静電ガスポンプの別の例示的な実施形態を図示する。この例において、ポンプ３００は、コロナ電極３０４の方向に対して平行に伸びている壁３０８を含み、壁３０８は、尖っていない電極のフィン３０２の間、および、さらに、それらの輪郭づけられた中和表面のそれぞれの間、におけるガスのフローに対して、分離されたチャネル３０６を規定する。壁３０８はさらに、コロナ電極の全部分に対して、特に、輪郭づけられたフィンの間の領域において、高い電界の集中を維持することを支援する。壁３０８はまた、尖っていない電極３０８における電界を低減させ、隣接するコロナ電極３０４間の追加の電気的絶縁を提供することを支援する。

望ましい静電ガスポンピング動作を取得するために、コロナおよび／または尖っていない電極に対して適用される、適切な材料、寸法、および電圧のような、構成の詳細は、同時継続中の出願第１１／３３８，６１７号の教示から当業者によって導き出すことができる。例えば、上述したコロナ電極は、細いワイヤで構成することができ、尖っていない電極は、アルミニウムのようなヒートシンクのフィン材料で構成することができる。静電ガスポンピングメカニズムのようなコロナ風を使用する１つの例示的な構成において、コロナ電極と、尖っていない電極表面との間の距離ｄ（すなわち、電極ギャップ）は、約３０ｍｍであり、コロナ電極のワイヤは約０．５ｍｍの直径を有し、電極に印加される電圧は約２０ｋＶであり、尖っていない電極のフィンは、約１ｍｍの厚さを有する。微小スケールのコロナ風の例において、距離ｄは約２ｍｍであり、コロナ電極のワイヤは約２ミクロンの直径を有し、電圧は約１５００Ｖであり、尖っていない電極のフィンは約０．２ｍｍの厚さを有し、ほぼ半円筒の輪郭（すなわち、θは約１８０度である）である。

いくつかの実施形態において、本発明者は、できるだけ小さい電極ギャップを作成することが望ましいことを認識している。例えば、発明者は、０．５ｍｍから３ｍｍまでのギャップと、１２００Ｖから５０００Ｖまでの電圧とにより、静電空気ポンプを実証している。最終的に、数百ボルトの動作電圧によりギャップを１００μｍに低下させることができ、一方で、依然として、より大きなギャップと同様のポンプ出力を維持する。コロナのワイヤの間隔（例えば、平行なコロナ電極２０４および３０４の分離）は、ほぼガスギャップの２倍に等しい。ギャップが減少するにつれて、ワイヤの間隔もまた減少し得る。

本発明は、多くの異なる方法で、および、上述の例において記述したものとは異なる構成で実施できることに注目すべきである。例えば、図１ないし３の尖っていない電極の実施形態に関して、円形状のコロナのワイヤを使用できる一方で、本発明にしたがって、尖っていない電極に関して、他のタイプのコロナ電極の構成が可能である。

例えば、図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、図１におけるように単独で、または図２および３におけるように線状のアレイで使用できるコロナ電極の、さまざまなプリズム形状の断面図を示す。図４Ａおよび４Ｂは、それぞれ、コロナ電極を実現するために使用できるワイヤの、楕円形（例えば、円形）および矩形（例えば、正方形）の形をした断面図を示す。図４Ｃは、ワイヤの代わりに、コロナ電極を実現するために使用される押し出し成形された形状の、ナイフエッジまたはかみそりの刃の断面図を示す。六角形のような他の形状が可能であることが明らかであるはずである。

図５は、点タイプのコロナ電極構成のアレイを示し、コロナ電極は、突き出ている複数の尖った尖端５０４を有する支持部材５０２によって実現される。図５の構成のケースにおいて、または、電極の一部分だけがコロナを生成させる他のタイプの電極のケースにおいて、輪郭づけられた、尖っていない電極は、尖った電極のコロナ領域から一定またはほぼ一定の距離であることが好ましく、必ずしも電極のすべての部分ではないことに注目すべきである。

複数の個々の点タイプのコロナ電極を含む、別の可能性のある実施形態を図６中に示す。図６中で示すように、静電ガスポンプ６００は、輪郭づけられた、尖っていない電極６０２を含み、電極６０２は、それぞれのコロナ電極６０４と向き合う、中空の球の内部部分に共に似ている、４つのフィンのセットで構成されている。図２および３中のポンプのような構成およびレイアウトと異なっているが、動作の概念は、先に記述したワイヤタイプの電極におけるものと同じである。尖っていない電極の輪郭全体が、図１ないし３におけるような円筒形の代わりに球形であることを除いて、尖っていない電極６０２の輪郭づけられた表面は、点タイプのコロナ電極６０４のコロナ生成領域から一定またはほぼ一定の距離にある。

ここで記述した、輪郭づけられた電極は、その幾何学的配置によって、コロナ電極において、最大の電界増強を生成させることを、本発明者は認識している。高い電界増強は、多くの有利な特性を本発明に与える。第１に、高い電界増強は、所定のガスギャップおよびコロナ電極のサイズに対して、より低いターンオン電圧をもたらす。第２に、ガスは電界が高い場合にのみ分解されることから、高い電界増強は、イオン化領域をコロナ電極の近くに制限する。これにより、電圧が増加するとき、コロナ放電がアークに変わることがより困難になる。したがって、電圧動作ウィンドウはより大きい。電圧が増加するときのアークの遅延はまた、所定のコロナ電極からのより高いイオン密度をもたらす。ポンプ能力はイオン電流を乗算した電圧に比例することから、これにより、デバイスのポンプ能力が向上する。

輪郭づけられた電極の第２の大きな利点は、コロナ電極と、輪郭づけられた電極との間の電気力線が、電極間における領域によりよく制限されることである。隣接する電極からの電気力線は干渉しない。コロナ電極は、ともにより接近して置くことができ、依然として、高品質のコロナ放電およびガスフローを生成させるのに必要な高い電界増強を有することができる。電極のより高い密度は、所定のエリアにおいてより大きなイオン電流を招来し、より大きなガスフローレートをもたらす。

輪郭づけられた電極のさらに別の利点は、例えば、図２および３中で示したような、複数のコロナ電極を有するポンプに対して、尖っていない電極のフィンの間の間隔は、イオン電流およびポンプ能力にほとんど影響を及ぼさないことである。このことは、その間隔がフローレート、熱伝導などのような他のパラメータを最適化するように、その間隔を設定する自由を設計者に与える。

本発明を、特に、その好ましい実施形態に関して記述してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および細部における変更および修正を実施してもよいことが当業者に容易に明らかになるはずである。特許請求の範囲は、そのような変更および修正を包含するように向けられている。

Claims (20)

1. 装置において、
   コロナ電極と、
   ガスギャップだけ前記コロナ電極から分離された、尖っていない電極とを具備し、
   前記尖っていない電極は前記コロナ電極と向き合う中和表面を有し、前記中和表面は、前記コロナ電極上の点と、前記点の真下にある、前記中和表面のすべての点との間のそれぞれの距離が実質的に一定であるように輪郭づけられている装置。
2. 前記中和表面はさらに、前記コロナ電極における電界増強を最大にし、前記ガスギャップにおいて発生するコロナ放電の最大出力を増加させるように輪郭づけられている請求項１記載の装置。
3. 前記中和表面は、前記コロナ電極の所定の長さにわたって前記コロナ電極と向き合い、前記輪郭は、前記所定の長さに対応する高さと、前記実質的に一定の距離に対応する半径とを有する、部分的な中空の円筒を規定する請求項１記載の装置。
4. 前記尖っていない電極は複数のフィンを含み、各フィンは前記コロナ電極のそれぞれの所定の長さにわたって前記コロナ電極と向き合う中和表面を有し、各中和表面の輪郭は、前記それぞれの所定の長さに対応する高さと、前記実質的に一定の距離に対応する半径とを有する、部分的な中空の円筒を規定する請求項１記載の装置。
5. 前記コロナ電極は、支持部材から突き出ている尖端で構成され、前記尖っていない電極は複数のフィンを含み、各フィンは前記点と向き合う中和表面を有し、各中和表面の輪郭は、前記実質的に一定の距離に対応する半径を有する、部分的な中空の円筒を規定し、前記複数のフィンの輪郭は、前記半径を有する部分的な球を集合的に規定する請求項１記載の装置。
6. 前記コロナ電極は、支持部材から突き出ている複数の尖端で構成され、前記尖っていない電極は複数のフィンを含み、各フィンは前記点のそれぞれの１つと向き合う中和表面を有し、各中和表面の輪郭は、前記実質的に一定の距離に対応する半径を有する、部分的な中空の円筒を規定する請求項１記載の装置。
7. 静電ガスポンプ装置において、
   複数のコロナ電極と、
   複数の尖っていない電極のフィンとを具備し、
   それぞれの尖っていない電極のフィンは、前記コロナ電極のいくつかと向き合う中和表面を有し、前記中和表面は、前記コロナ電極上の点と、前記点の真下にある、前記中和表面のすべての点との間のそれぞれの距離が実質的に一定であるように輪郭づけられている静電ガスポンプ装置。
8. 前記中和表面は、前記コロナ電極の所定の長さにわたって前記コロナ電極と向き合い、前記輪郭は、前記所定の長さに対応する高さと、前記実質的に一定の距離に対応する半径とを有する、部分的な中空の円筒を規定する請求項７記載の装置。
9. 前記フィンのそれぞれの各中和表面は、前記コロナ電極のそれぞれの所定の長さにわたって前記コロナ電極のそれぞれの１つと向き合い、各中和表面の輪郭は、前記それぞれの所定の長さに対応する高さと、前記実質的に一定の距離に対応する半径とを有する、部分的な中空の円筒を規定し、前記高さは前記フィンの厚さに対応する請求項７記載の装置。
10. 前記コロナ電極は、互いに実質的に平行に整列され、コロナ電極の間隔だけ分離されている請求項９記載の装置。
11. 前記コロナ電極は、互いに実質的に平行に整列され、コロナ電極の間隔だけ分離されており、前記フィンは、互いに実質的に平行に、かつ、前記コロナ電極に対して実質的に垂直に整列され、フィン間隔だけ分離されている請求項９記載の装置。
12. 前記フィンの間のフィン間隔は、前記電極間の静電放電によってもたらされるガスのフローに対して対応するチャネルを規定する請求項１１記載の装置。
13. 前記コロナ電極に平行に整列され、前記尖っていない電極のフィンを接続する壁をさらに具備し、各壁は、前記フィンのそれぞれにおける、対応する一対の隣接する中和表面を分離する請求項１１記載の装置。
14. 前記フィンの間のフィン間隔と、前記一対の隣接する中和表面の間の壁は、前記電極間の静電放電によってもたらされるガスのフローに対して対応するチャネルを規定する請求項１３記載の装置。
15. 前記中和表面は、隣接するコロナ電極を絶縁するように輪郭づけられ、それらの電界が互いに干渉することを防ぎ、それによって、前記静電ポンプ装置のポンプ能力を向上させる請求項７記載の装置。
16. 静電ポンプ装置において、
    コロナ放電領域のアレイを具備し、
    各放電領域は、尖っていない電極の、輪郭づけられた中和表面を含む静電ポンプ装置。
17. 前記アレイは、互いに実質的に平行に整列された複数のコロナ電極と、互いに実質的に平行に、かつ、前記コロナ電極に対して実質的に垂直に整列された、複数の尖っていない電極のフィンとを備え、前記コロナ放電領域は、前記コロナ電極と、前記尖っていない電極のフィンとの間の共通部分にそれぞれ位置している請求項１６記載の装置。
18. 各コロナ放電領域における前記中和表面は、前記コロナ電極と向き合い、前記コロナ電極上の点と、前記点の真下にある、前記中和表面のすべての点との間のそれぞれの距離が実質的に一定であるように輪郭づけられている請求項１７記載の装置。
19. 各コロナ放電領域における前記中和表面は、隣接するコロナ放電領域からそれを絶縁するように輪郭づけられ、それらの電界が互いに干渉することを防ぎ、それによって、前記静電ポンプ装置のポンプ能力を向上させる請求項１７記載の装置。
20. 前記コロナ電極に平行に整列され、前記尖っていない電極のフィンを接続する壁をさらに具備し、各壁は、前記フィンのそれぞれにおける、対応する一対の隣接する中和表面を分離する請求項１７記載の装置。

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