JP2023051903A - 自由電荷、オゾン、および光を生成するエネルギー効率の良いプラズマプロセス - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの生成および使用ためのシステムを提供する。【解決手段】本発明の実施形態は被覆二重誘電体バリア放電（ＣＤＤＢＤ）システムを使用することによる電流源、光源、およびオゾン発生器の形成を説明する。電荷を生成するためのシステムはガス媒体で満たされた間隙により隔てられた少なくとも二つの電極を有するＣＤＤＢＤを含んでもよく、少なくとも二つの電極の各々が、少なくとも二つの電極内の電荷がガス媒体を通過することを阻止する絶縁体で覆われ、少なくとも二つの絶縁体の各々の表面が絶縁体の材料よりも高い二次電子放出効率を有する材料でコーティングされる。さらに、電荷を生成するためのシステムはまた、最初の電場を形成するためにＣＤＤＢＤデバイスにエネルギーを供給するＣＤＤＢＤデバイスに結合した電源を含んでもよい。【選択図】図８Ａ

Description

［関連出願］
この出願は、２０１７年４月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／４９２，１０３号、２０１７年６月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／５２５，７４９号、２０１７年９月５日に出願された米国仮特許出願第６２／５５４，５５２号、および２０１７年１０月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／５７５，５０３号に基づく優先権および利益を主張するものである。上記の出願の開示はその全体が本明細書に参照により組み入れられる。

［技術分野］
本開示の実施形態は概して電流、オゾン、および光の生成の分野に関する。

地球は地球温暖化の脅威の下にあり、その結果である気候変動は頻繁または巨大な嵐、山火事、陸地の水没、および有用な水源の融解により人々を脅かしている。地球温暖化は世界のエネルギーの６０％以上を生み出す化石燃料を燃焼させる際に二酸化酸素（ＣＯ₂）が排出されることで引き起こされると考えられている。環境を保護するため、ＣＯ₂を排出しないエネルギー、グリーンエネルギー、または再生可能エネルギーの新しいエネルギー源が常に追求されている。風力エネルギー、水力エネルギー、および核エネルギーは追及されている再生可能エネルギー源の例である。

水不足もまた困難な課題であり、地球温暖化だけでなくカリフォルニアまたはアフリカのような所定の地域おける乾燥した気候にも起因する。使用済みまたは汚染された水を効率的に再利用することが水不足の問題を解決する助けになる。しかしながら、使用済みまたは汚染された水の化学処理は例えばスイミングプールで使用された場合に皮膚炎を引き起こすことが知られている。さらに、このような処理された水は例えば飲用水として使用された場合に不快な臭気を有することがある。オゾン水処理は優れた水処理プロセスとして知られているが、オゾンの生成にかかる高いエネルギーコストに苦慮している。

照明システムの発光効率は電球の２％から蛍光灯ランプまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）の２０％まで上昇した。最近の開発およびコスト低減によりＬＥＤ技術は従来の電球または蛍光灯ランプに置き換えられてきている。しかしながら、さらに高いエネルギー効率が探求されている。さらに、現在ＬＥＤは有毒な化学エピタキシャル成長プロセスにより製造されているが、これは望ましくないことである。ＬＥＤはサイズが小さく、弱くて広いエリアの照射と同じ総光出力を与えることが可能な広域照明には好適でない。この広域照射は特に狭いエリアでの激しい照射の間に人々の目が予期せず失明することを防ぐために有用である。

本発明は、以下で与えられる詳細な説明および様々な実施形態の添付図面からより完全に理解されるであろう。しかしながら、それらは本明細書において説明され例示される実施形態を限定するものではなく、説明および理解のみを目的とするものであるとするべきである。

ＤＣ電源を有する被覆二重誘電体バリア放電（ＣＤＤＢＤ（ｃｏａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ））システムの一実施形態を例示する。 電荷生成および発光をもたらすパッシェン放電の閾値を上回る図１におけるＣＤＤＢＤシステムを例示する。 繰り返される電荷生成および発光をもたらすパッシェン放電の閾値を上回るＡＣ電源を有するＣＤＤＢＤシステムを例示する。 宇宙線がＣＤＤＢＤシステム内部でガス分子を電離する際の図１におけるＣＤＤＢＤシステムを例示する。 ＣＤＤＢＤシステム内部で電荷増倍が発生している段階の図１におけるＣＤＤＢＤシステムを例示する。 孔を有する平面ＣＤＤＢＤシステムを備える電流源の一実施形態の側面図を例示する。 孔を有する平面ＣＤＤＢＤシステムを備える電流源の一実施形態の上面図を例示する。 ワイヤアレイを備えるＣＤＤＢＤシステムの電流源の別の実施形態の側面図を例示する。 ワイヤアレイを備えるＣＤＤＢＤシステムの電流源の別の実施形態の上面図を例示する。 ＣＤＤＢＤシステムの電流源、外側に管状電極を有する絶縁管を備えるプラズマ管ジェットの別の実施形態を例示する。 図８Ａの電源の極性が逆の場合を例示する。 第三の電極により形成された電場により電荷が抽出される、ＣＤＤＢＤシステムを使用する電流源の一実施形態を例示する。 電場を使用するより効率の良い電荷抽出のための第三の電極を有するプラズマ管ジェットを例示する。 図１で説明された平面ＣＤＤＢＤシステムを使用する風力エネルギーハーベスタの一実施形態を例示する。 図７Ａおよび図７Ｂで説明されたワイヤＣＤＤＢＤシステムを使用する風力エネルギーハーベスタの一実施形態を例示する。 電極間の電圧差、パッシェン放電が無い場合のコーティング間の電圧差、パッシェン放電がある場合のコーティング間の電圧差、および生成された電荷を例示する。 例示的な埋込電極を有するＣＤＤＢＤシステムの一実施形態を例示する。 ＣＤＤＢＤシステムを用いて構成されたエネルギー効率の良い蛍光灯ランプの一実施形態を例示する。 ＣＤＤＢＤシステムを用いて構成されたエネルギー効率の良い広域蛍光灯ランプの別の実施形態を例示する。 半導体電極を用いて構成されたバラストフリー蛍光灯ランプの一実施形態を例示する。 ＣＤＤＢＤシステムを用いて構成されたエネルギー効率の良いオゾン発生器の一実施形態を例示する。 ＣＤＤＢＤシステムを用いて構成された直列のエネルギー効率の良いオゾン発生器の別の実施形態を例示する。

以下の説明において、多数の詳細が明らかにされる。しかしながら、本開示の利益を有する当業者においては、本明細書に記載の実施形態はこれらの特定の詳細によらずに実行され得ることが明らかになるであろう。いくつかの例では、本明細書に記載の実施形態を不明瞭にすることを回避するために、周知の構造およびデバイスがその詳細を示すのではなくブロックダイアグラムの形態で示されている。

理想的なキャパシタはエネルギーを消費しない電気回路の無効成分である。二つの電極を有するキャパシタは各電極を絶縁体で覆うかまたは埋め込み、さらにガスシステムにおいて間隔を設けることにより作ることができる。交流（ＡＣ）電圧がキャパシタに印加される場合、電源における望ましくない損失以外の電力消費が無い。印加されるＡＣ電圧がパッシェン閾値よりも高い場合、間隙においてプラズマが形成されるが、依然として電気的により高い静電容量を有するキャパシタである。電極を覆っている絶縁体を通過する電荷が無いため、電力は消費されない。プラズマが作用した結果として得られる生成物は浮遊電荷、発光、およびラジカル形成である。本明細書においてさらに詳細に説明されるように、これらの副産物は電流源、エネルギー効率の良い発光体、およびエネルギー効率の良いオゾン発生器のようなシステムを作るために使用することができる。

本発明の実施形態は、被覆二重誘電体バリア放電（ＣＤＤＢＤ）システムを使用することによる電流源、光源、およびオゾン発生器の形成を説明する。実施形態では、ＣＤＤＢＤシステムは電極を覆う絶縁体およびその間にガスシステムを有する電気的なキャパシタである。非散逸絶縁体を用いると、このようなシステムは電源における望ましくない電力損失以外にＡＣ電力を消費しない。ＡＣ電圧をパッシェン絶縁破壊電圧よりも高く増幅すると、追加で電力を消費するのではなく、電場エネルギーの変換の結果として浮遊電荷および発光が発生する。非常に効率の良い電源または電気発生器を用いると、自由電荷および／または発光から構成される正味のエネルギーの生成は正となる可能性がある。

物理的な視点では、宇宙線によりガスの電離が開始され、高電場の下で電荷増倍が発生する。このようにしてプラズマが形成される。宇宙線は、（１０億エレクトロンボルトの範囲の）高エネルギー放射であり、主としてソーラーシステムの外、遠くの銀河からも生じる。宇宙線は主に陽子、原子核、およびエネルギー的に孤立した電子から構成される。宇宙線は宇宙から与えられ、これには費用がかからないが、それに続く電荷増倍プロセスは電場エネルギーの電離および発光への変換を伴う。

本明細書で論じられる実施形態では、連続電流源を達成するために本明細書で論じられる電極配置を介して放電システム内で生成される電荷を解放することができる。一実施形態では、放電システムからの電荷の解放を促進するために風力エネルギーを効果的に使用することができ、したがってこのようなシステムは電気エネルギーコンバータに対する風力エネルギーになる。別の実施形態では、プラズマ内部で生成されたラジカルによりシステムが酸素注入を備えるエネルギー効率の良いオゾン発生器になる。さらに別の実施形態では、このシステムからの発光はエネルギー効率の良い照明システムとして使用することができる。本明細書で論じられるように、本発明の実施形態は多くの分野、例えば電力発生器、光発生器、およびオゾン発生器に応用され得る。

以下でさらに詳細に説明されるように、本発明の実施形態は電力発生器、光発生器、およびオゾン発生器の実施形態を説明する。例えば電力発生器として、風力エネルギーの変換と併用される場合、本発明の実施形態は電源、バッテリ充電器、電流源、および風力エネルギーハーベスタのために使用することができる。例えば光発生器として、本発明の実施形態はエネルギー効率の良い、または低コストの蛍光灯ランプとして使用することができる。例えばオゾン発生器として、本発明の実施形態は水処理、食品加工、および織物加工において有用な用途を有する効果的な病原体キラーとして使用することのできるエネルギー効率の良いオゾン発生器に関連する。

［被覆誘電体バリア放電システム］
本発明の動作原理および第一の実施形態を図１から図５を参照して説明する。図１は被覆二重誘電体バリア放電（ＣＤＤＢＤ）システム１０を示しており、特殊コーティング１３が施されている絶縁体１２で覆われた電極１１がガス１５内の間隙１４により隔てられている。電源１６はＣＤＤＢＤシステムに結合されている。ＣＤＤＢＤシステム１０は二つの絶縁材料、絶縁体１２および間隙内のガス１５を有する電気的なキャパシタである。電源１６により電圧が印加されると、電荷１７は電極に向かって移動し、電場１８を形成する。絶縁体１２が非常に高い電気抵抗率を有するのであれば、電荷の散逸および電力消費は無い。

空気にかかる電圧がパッシェン閾値を上回る場合、空気の絶縁破壊が発生する。図２に示されるように、パッシェン閾値は電荷生成２１だけでなく発光２２ももたらす。このプロセスにおいて生成された電荷は反対の符号を持つ電極に移動して最初の電場１８と逆向きの電場２３を形成し、したがって電極における電圧境界条件を満足するためにさらに電荷２４が電極に流入する。しかしながら、依然として電荷はキャパシタを通過せず、電力は消費されない。生成された電荷および光は生み出されたものではないが、当初の電場エネルギー１７から変換されたものである。電気回路の視点では、静電容量の値は変化しており、したがってＶ＝Ｑ／Ｃ＝Ｑ’／Ｃ’を満足するためにさらに電荷が電極に移動する。ここでＣは絶縁破壊前の静電容量であり、Ｃ’は絶縁破壊後の静電容量である。

実施形態では、電極１１からの電荷がガス媒体を通じてリークしないようにＣＤＤＢＤシステムで使用される絶縁体１２のための材料は電気抵抗が高い。ＣＤＤＢＤシステムで使用されている電場の下では材料が電気的に絶縁破壊しないように絶縁材料１２は高い絶縁耐力も有する。例えば、石英、磁器、ガラス、ポリイミド、テフロン（登録商標）、またはポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）のような絶縁体１２に適した材料は、１０¹⁷Ω・ｃｍよりも高い電気抵抗率および１５ＭＶ／ｍよりも高い絶縁耐力を有する可能性がある。

ＣＤＤＢＤシステムにおいて説明されたガス媒体１５は空気とすることができ、空気は一気圧で窒素および空気を含む。ＣＤＤＢＤシステムはまた、ガス媒体１５が一気圧よりも低い気圧でアルゴンまたはヘリウムのような不活性ガスシステムである閉じた系として構成することもできる。

図３に示されるようにＡＣ電圧３１が印加される場合、電荷生成２１および発光２２の連続した動作が発生する。極性が変化すると、残存電荷に起因してパッシェン閾値が変化し、新たに生成された電荷の位置が反転する。しかしながら、各周期において新たな電荷の生成２１および発光２２が発生する。電気回路の視点では、依然としてそれは静電容量回路であり、ＣＤＤＢＤシステムでの電力消費は無い。電荷生成および発光は絶縁体に適切なコーティング１３が施された場合に強まる可能性がある。このコーティングはアルカリアンチモン化合物、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、一酸化鉛（ＰｂＯ）、タングステン（Ｗ）、またはモリブデン（Ｍｏ）のような高い二次電子放出効率を有する材料である。コーティング材料は一つの電子の衝突により多くの電子が生み出される光電子増倍管に使用される陰極材料とすることもできる。次に、このＡＣ駆動ＣＤＤＢＤシステムにおいて生成される正味のエネルギーは生成された電荷および発光の全エネルギーから電源システムにおいて発生した損失を引いたものになる。ここで、プラズマはプラズマ領域にジュール熱が存在しないコールドプラズマに限定される。プラズマの輝度は電極１１材料の導電率により制御することもできる。ストリーマは通常大気圧プラズマシステムにおいて発生する高輝度フィラメント放電である。ストリーマは電極１１において自由電荷からの電場強調の正のフィードバックのために発生する。電極１１における自由電荷密度を制御することによりストリーマ輝度を制御することができる。例えば、１０⁶Ω・ｃｍまでの電気抵抗率を有する半導体材料を使用することにより、１０^-6Ω・ｃｍまでの電気抵抗率を有する典型的な金属と比較して自由電荷は１０桁低減される。

本明細書に記載の実施形態では、本発明の実施形態において説明されるプラズマプロセスは宇宙線のハーベスティングエネルギーであり、次に電場エネルギーを自由電荷および光に変換する。従来のシステムとは異なり、図４に示されるようにプラズマは宇宙線４１により点火される。空気分子の典型的な電離エネルギーは１０から２０ｅＶのオーダーであり、例えば窒素分子の場合は１５ｅＶである。高電圧電源からの典型的な電場だけを印加することにより電離を達成することはできない。宇宙線４１の９０％がＧｅＶのエネルギーを有し、それらの９０％が陽子である。したがって、宇宙線４１はガス分子を電離するために十分に高いエネルギーを有する。ＧｅＶ宇宙線４１は途中で一または二のガス分子を電離させ、それを続行する。したがって、最初の１５ｅＶのエネルギーは宇宙から解放される。

図４は宇宙線電離プロセスを説明する。電場の存在しないところで宇宙線誘起電離が発生した場合、陽イオン４２および電子４３は多くの運動エネルギーを有さず、再結合さえする。しかしながら、電場内で電離が発生した場合、陽イオン４２および電子４３は逆方向に一掃される。この時点で、この電子および陽イオンは配置によるポテンシャルエネルギーを有する。結合したポテンシャルエネルギーはｅＥ・ｇであり、ここでｅは電荷、Ｅは電場、ｇは間隙である。例えば、プラズマ領域では電場は９Ｖ／ｕｍであり、間隙は１００ｕｍである。電離が負電極の近くで発生した場合、電子は正電極に向かって加速する。この電子のポテンシャルエネルギーはｅ・Ｅ・ｇ＝ｅ・（９Ｖ／ｕｍ）・（１００ｕｍ）＝９００ｅＶである。電離がプラズマ領域の中心で発生した場合、電子はポテンシャルエネルギーのうち４５０ｅＶを有し、陽イオンが４５０ｅＶを有する。電離が正電極の近くで発生した場合、陽イオンは９００ｅＶを有し、電子はポテンシャルエネルギーを有しない。平均すると、または統計により、このプラズマ領域における平均電子ポテンシャルエネルギーは４５０ｅＶになる。周囲に空気分子が存在しない場合、電子は自身の速度を獲得し、４５０ｅＶのポテンシャルエネルギーは運動エネルギーに変換される。周囲にガス分子が存在する場合、電子は空気分子と衝突し、また運動エネルギーが十分に高い場合、別の分子等を電離させる。図５に示されるようにこれは衝突電離プロセスまたはアバランシェプロセスである。窒素の電離エネルギーが１５ｅＶであるため、衝突電離プロセスを通じて４５０ｅＶのポテンシャルエネルギーから３０個の自由電子５２および陽イオン５１が生み出される。したがって、この時点で３０個の自由電子５２および陽イオン５１、ならびに宇宙線および電場からの電離プロセスからは光が得られ、電場エネルギーは２９個の電子および陽イオンならびに発光に対応する正確な量だけ減少する。

電荷である陽イオン５１および電子５２を除去することにより当初の電場エネルギーが復元され、プロセスが継続する。効果的な電極配置だけでなく、次のセクションで説明される風力エネルギーを用いることで電荷を除去することが可能になる。連続的に解放される電荷を有するＣＤＤＢＤシステムは電流源であり、したがってこのようなシステムは電力発生器である。

［被覆二重誘電体バリア放電（ＣＤＤＢＤ）システムからの電流源］
図６から図９で説明される本発明の第二、第三、第四、第五の実施形態はＣＤＤＢＤシステムのバージョンであり、浮遊電荷がＣＤＤＢＤシステムを脱出することができるように構成される。解放された電荷は捕捉して電子デバイスを直接駆動するために使用することができ、またはバッテリのような電気ストレージシステムに格納することができる。図６Ａおよび図６Ｂは、特に電荷脱出のために設計された、図１から図５で説明された実施形態のバリエーションの実施形態を例示している。孔６３は各電極／絶縁体／コーティングアセンブリ上に形成される。図６Ａはこの実施形態の側面図６１であり、図６Ｂはこの実施形態の上面図６２である。電場６４は各電極アセンブリの外に延び、したがって電子６５および陽イオン６６はＣＤＤＢＤシステムの外に脱出することができる。脱出した電荷は電子デバイスを駆動するため、またはバッテリのような電気ストレージデバイスに格納するために収集することができる。電荷が全て無くなると、図１における当初の電場は電源からの電荷を使用することなく復元され、したがってあらゆるエネルギーを使用しない。したがって、持続可能な電荷供給、すなわち、電流供給が可能である。しかしながら、図６Ａにおけるいくつかの電荷６７はそれらが孔６３の近くにないため脱出できないことになる。図６Ａおよび図６Ｂで説明される実施形態は最も効率の良い電流源ではない可能性があるが、図１から図５で説明された先の実施形態から大きく逸脱することなく原理を説明するためにここで言及される。

図７Ａおよび図７Ｂで説明される本発明の第三の実施形態は電流源の別のバージョンである。図７Ａはこの実施形態の側面図７１であり、図７Ｂはこの実施形態の上面図７２である。電極／絶縁体／コーティングアセンブリはワイヤ７３の形状により形成され、最内部は７３ａ、中間部は絶縁体７３ｂ、外側部分は高い二次電子放出効率を有するコーティング７３ｃである。上面および底面の電極エリアはワイヤ７４ａ、７４ｂのアレイから構成され、電場７８はこれらワイヤ７４ａ、７４ｂの二つのアレイ間に形成される。電場７８はワイヤアレイ７４ａ、７４ｂの外に延び、ワイヤの上面アレイ７４ａと底面アレイ７４ｂとの間で生成された電荷７７ａ、７７ｂはワイヤ間のスペースを通って脱出することができる。ワイヤ間のスペース７６はワイヤ直径７５よりも著しく大きく、したがって孔６３を備えた平面電極１１、１２、１３を有する図６の実施形態よりも脱出効率が優れている。本実施形態は電源における望ましくない損失以外に電源からの電力を消費しないＣＤＤＢＤシステムから最適化された電流源または電流発生器である。したがって、正味の出力電力は自由電荷から望ましくない電源損失を引いたものである。

図８Ａおよび図８Ｂで説明される本発明の第四の実施形態は電流源として最適化された、すなわち電荷がＣＤＤＢＤシステムから容易に脱出できるように最適化されたＣＤＤＢＤシステムの別のバージョンである。図８Ａおよび図８Ｂで説明される実施形態はプラズマ管ジェット８１であり、これはその内表面８５が高い二次電子放出効率材料でコーティングされた電気絶縁管８２から構成され、管の外径に二つの管状電極８３、８４が構成されている。電気絶縁管８２は、例えば石英、磁器、ガラス、ポリイミド、テフロン（登録商標）、またはポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）のうち一つから形成することができる。プラズマまたは電荷増倍は、ＣＤＤＢＤシステムの第一の実施形態のセクションで説明されたのと同じ原理を用いて管の内側に形成される。電源から管状電極８３、８４にもたらされた電荷は絶縁した管を通過することはなく、したがって電源内部での望ましくない損失以外に電源からの電力を消費しない。管内の電場８８Ａ、８８Ｂは管状電極の長さにわたって延び、したがって電荷は軸方向の軸に沿って著しい量の運動エネルギーを獲得し、管から脱出８６、８７することができる。電荷の速度は陽イオンでは１ｋｍ／ｓｅｃ、電子では２００ｋｍ／ｓｅｃにも達する可能性がある。脱出電荷８６、８７はプラズマ管ジェット８１の外側の電極で収集することができ、直接機器の電流源として使用するかまたは電気ストレージに格納することができる。図８Ａおよび図８ＢはＡＣ電源を有するこの実施形態を例示している。図８Ａは特に右電極８４が左電極８３よりも正の電圧にある場合を例示している。したがって図８Ａにおける電場８８Ａは左方向を向いており、陽イオン８７Ａは左の開口部から脱出し、電子８６Ａは右の開口部から脱出する。図８Ｂは特に右電極８４が左電極８３よりも負の電圧にある場合を例示している。したがって図８Ｂにおける電場８８Ｂは右方向を向いており、陽イオン８７Ｂは右の開口部から脱出し、電子８６Ｂは左の開口部から脱出する。

電流源として活用することのできる本発明の第五の実施形態が図９に例示されている。図９で説明される実施形態はイオンジェットであり、プラズマ領域１５内の電荷９４、９５は第三の電極９１により形成された電場９３により抽出される。ＡＣ電源１６により動作するＣＤＤＢＤシステム１０の隣に追加の電極９１が間隙を設けて配置され、電極９１は第三の電極９１と第一の二つの電極１７の平均電圧との間で固定された電圧差を有するように別のＤＣ電源９２によりバイアスがかけられる。第三の電極９１と第一の二つの電極１７の平均電圧との間に十分な電位差がある場合、電荷９４、９５はクーロン力によりＣＤＤＢＤシステムのプラズマ領域１５から第三の電極に向かって抽出される。図９は平面ＣＤＤＢＤシステム１０を有するイオンジェットを説明しているが、それらが電荷を抽出するための強力な電場を形成するために効果的に第三の電極の隣に配置されるのであれば、例えば図６から図８で説明される任意のＣＤＤＢＤシステムを代わりに使用することができる。

電流源として活用することのできる本発明の第六の実施形態が図１０に例示されている。図１０で説明される実施形態は異なるポテンシャルで追加の電極を有する電場の助けを用いて、ＣＤＤＢＤシステムの内部であるが図８Ａおよび図８Ｂにおいて説明されるプラズマ管ジェット８１のフレームで電荷を抽出する別の実施形態である。図１０で説明される新たなプラズマ管ジェット１０１において、第三の電極１０２は第一の二つの電極８３、８４と同じ方法で構成されるが、電極８４と管１０４の端部との間では電荷が放出される。第三の電極１０２は、その電圧が第二の電極８４の電圧に対して一定であってそれとは異なるＤＣオフセット電源１０３に接続され、これは通常はＤＣオフセットを有すると説明される。例えば、図１０において、オフセット電源１０３の極性は第三の電極の電圧が第二の電極８４よりも正であるように設定される。第二の電極８４と第三の電極１０２との間の電場１０５は電子にクーロン力を印加し、さらに第一の電極８３と第二の電極８４との間で発生したプラズマから電子１０６を抽出する。第三の電極１０２を用いることで、図８Ａおよび図８Ｂにおける第三の電極によらずに管ジェットの電場８８Ａ、８８Ｂと比較して電場１０５をさらに真っ直ぐにすることができ、したがって電荷抽出効率が上昇する。ＤＣオフセット電源１０３の極性が固定されているため、図１０で説明されるプラズマ管ジェット１０１は他方の電荷よりも一方の電荷を好む。例えば、図１０において、より好まれる電荷は電子１０６である。第二の電極８４と第三の電極１０２との間の電場１０５はパッシェン閾値よりも高くなく、したがってこの領域で新しい電荷は生成されない。電場１０５は効率的な電荷抽出のためだけに使用される。

［風力エネルギーハーベスタ］
ＣＤＤＢＤシステムは風力エネルギーハーベスタとして使用することができる。図６から図１０で説明される本発明の実施形態は特に容易な電荷脱出のための電極設計を有する。電荷脱出は電荷が脱出するための孔または管を有するメインプラズマ領域の外に電場が延びるような特別な電極設計を用いることで可能になる。しかしながら、電荷が付着することのできる要素への妨害があるためにその効率は高くない可能性がある。電荷抽出効率は気流または風で電荷を吹き飛ばすことにより上昇させることができる。陽イオンおよび電子は空中に浮かび、気流と共に移動する。したがって、風または気流はそれらを電気エネルギー源として自由に使用することができるようにＣＤＤＢＤシステムの外に電荷を移動する。このプロセスにおいて、風によりＣＤＤＢＤ電位に拘束された電荷が解放される。電荷がＣＤＤＢＤ拘束ポテンシャルから解放されるための電位エネルギーを獲得するのと同じだけ、風はエネルギー保存則に従ってその運動エネルギーを失う。したがって、ＣＤＤＢＤシステムが活用されるこの実施形態は風力エネルギーハーベスタと呼ばれる。

ＣＤＤＢＤシステムを使用する風力エネルギーハーベスティングのために構成された本発明の実施形態が図１１に例示されている。この実施形態では、陽イオン１１２はＣＤＤＢＤシステム１０から吹き飛ばされ１１３、下流１１６に収集される。これは陽イオン１１２が電子１１１よりも長く空気中に留まるためである。大気放電システムにおいて、衝突電離利得は高く、放電は通常ストリーマを形成する。ストリーマ内の電子１１１は通常１００ｎｓｅｃで正電極に到達し、一方陽イオン１１２が負電極に到達するのに数ミリ秒を要する。したがって、電子１１１よりも陽イオン１１２を収集する方が容易である。電子１１１は地面への絶縁破壊経路を配置することにより内側のコーティングから除去することができる。コーティングがいつでも電荷、コーティング間の空気およびプローブ絶縁破壊１１５の無い値を上回るポテンシャルに到達するように、接地された金属プローブ１１４を内部コーティングに接触させずにその近くに配置することができる。この種類の配置により任意の電子１１１のコーティング上への堆積の一掃が確実になる。電子１１１は１００ｎｓｅｃ以内に移動し、残った陽イオン１１２は風１１３により吹き飛ばすことができる。ＣＤＤＢＤシステムから吹き飛ばされた陽イオンは電極１１６により収集することができ、電流源として使用されるかまたは電気ストレージシステムに格納することができる。

ＣＤＤＢＤシステムを使用する風力エネルギーハーベスティングのために構成された本発明の別の実施形態が図１２に示されている。平面電極アセンブリ１１、１２、１３により形成されたプラズマエリア１５のチャネルの代わりに、二つのワイヤ電極アセンブリ７３配置により電荷をより利用しやすくなる。各ワイヤ電極アセンブリ７３はコア電極７３ａ、絶縁体７３ｂ、および高い二次電子放出材料を有するコーティング７３ｃから構成される。電子１２３は数百ナノ秒以内にプラズマガスエリア１５を横断し、陽イオン１２４は数ミリ秒の間は依然としてプラズマガスエリア１５内にある。陽イオン１２４は風１２５でより容易に吹き飛ばしやすい。

図１２で説明されるこの実施形態では、ＡＣ電源がワイヤの中心に接続されている。周期的に極性が変化するため、ワイヤのコーティング７３ｃ上に堆積した電子は極性が変わるたびにリセットされるかまたは除去される。したがって、ＤＣ電源を活用する図１１で説明される実施形態とは対照的に、図１２で説明される実施形態においては接地するための経路は必要でない。ＡＣ電源を用いると、連続した電荷生成および風により電荷を吹き飛ばすことが可能である。半周期毎に新しい電荷生成が開始される。図１３は各周期に対する段階的な電圧および電荷生成を説明している。曲線１３１は二つのコア電極７３ａ間の電圧差であり、曲線１３２はパッシェン放電が無い場合のそれらの最近点での二つの外側コーティング７３ｃ間の間隙電圧であり、曲線１３３はパッシェン放電が起こったそれらの最近点での外側コーティング７３ｃ間の実際の間隙電圧である。曲線１３３はパッシェン絶縁破壊により、本ガスシステム１５のパッシェン閾値１３５に制限される。パッシェン絶縁破壊は時刻１３６ａにおいて曲線１３２がパッシェン絶縁破壊閾値１３５よりも大きい場合に始まる。曲線１３４は時刻１３６ａにおいて開始する電荷生成の曲線である。これは時刻１３７ａにおいてコア電極７３ａの電圧１３１が上昇を停止するまで続く。この時点で、最大数の陽イオン１２４および電子１２３が生成される。電子１２３は外側コーティング７３ｃのうち一つに付着している可能性が最も高いが、陽イオン１２４は数ミリ秒の間は依然として空気中に浮いている。時刻１３８ａにおいて間隙電圧１３３はゼロであり、またこの時、正電荷１２４はＣＤＤＢＤ電位に最小限に拘束され、風によりシステムの外に容易に吹かれる。ＡＣ電源を使用すると、陽イオンがＣＤＤＢＤ電位に最小限に拘束される場合に、電荷生成プロセスとゼロ交差点が継続するという利点がある。プロセスはコア電圧１３１が他の極性に移ることで継続する。ＣＤＤＢＤシステムから除かれなかった空間電荷電子１２３および正電荷１２４のために、パッシェン絶縁破壊が時刻１３６ｃよりも早い時刻１３６ｂにおいて発生し、外部電源により正確なパッシェン閾値が発生する。電荷生成はコア電圧１３１がそれ以上は上昇しなくなる時刻１３７まで逆方向に継続する。コア電圧１３１が当初の極性に戻ると、時刻１３８ｂにおいて間隙電圧１３３が別のゼロと交差し、陽イオン１２４はＣＤＤＢＤシステムの電位に最小限に拘束される。そしてプロセスは当初の極性で継続する。先の半周期からの空間電荷のために、パッシェン絶縁破壊はその最初の周期よりも早く発生する。

ＡＣ電源を有する図１２で説明される実施形態は、合成ワイヤ７３内部の絶縁体７３ｂを通過する電荷が無いため、望ましくない電源損失以外に電力を消費しない。したがって、ＡＣ電源を有する図１２で説明される実施形態は風力エネルギーを消費する連続電流発生器である。したがって、図１２で説明される実施形態は風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力エネルギーハーベスタである。連続電流源は図６から図１０の実施形態において説明されたようなＣＤＤＢＤシステムを用いることで可能であり、風により電荷抽出効率が上昇する。

［埋込電極］
本発明において説明される全ての実施形態では、ガス媒体に露出している電極は絶縁体で囲まれた電極、すなわち埋込電極で置き換える必要があり得る。埋込電極の一例が図１４で説明されている。図１で説明されるＣＤＤＢＤシステムでは、電極１１はガス媒体に露出している。高電場の下では、電極１１およびコーティング１３の両方がガス媒体に露出している端部において電極１１とコーティング１３との間でパッシェンガス絶縁破壊が発生する可能性があり、これは絶縁体１２の目的に反する。これは特に大量の電荷がコーティング１３上に堆積している場合に発生する可能性がある。次に、コーティング１３と電極１１との間の電場はガスシステムのパッシェン閾値を超える可能性があり、端部の電極１１とコーティング１３との間で望ましくない短絡が発生する可能性がある。この種類の望ましくない状況を阻止するため、図１４に示されるように電極１４１が絶縁体１４２内部に埋め込まれる。

［蛍光灯ランプ］
本発明の別の実施形態はエネルギー効率の良い蛍光灯ランプである。先に説明されたＣＤＤＢＤシステムにより衝突電離プロセスを通じた電荷増倍プロセスが可能になる。衝突電離プロセスの間、光子が放出される。アバランシェプロセスにおいて励起状態の分子が生成されるため光子が放出され、これは次に光子を放出することにより基底状態に減衰する。最初の電位エネルギーの一部である光子エネルギーが得られる。このプロセスの繰返しは、ＡＣ電力が電極に印加されている場合に持続可能である可能性がある。電極にＡＣ電力が印加されている場合、このプロセスの繰返しを持続させることができる。エネルギー効率の良い蛍光灯ランプの第一の実施形態が図１５で説明されている。ＣＤＤＢＤシステムはガスシステム１５５を含有するガラス管１５４の内部に構成される。ガスシステム１５５はアルゴン、キセノン、ネオン、およびクリプトンを用いる低圧水銀ランプのような現在の蛍光灯ランプで使用される典型的なガスシステムである。ガラス管１５４の内表面はＵＶ－可視変換のための蛍光材料でコーティングされる。電極１５１が絶縁体１５２で覆われているため、放電領域１５５と電源システム３１との間で電荷は交換されない。回路は二つのキャパシタ間に「抵抗器のような（ｒｅｓｉｓｔｏｒ－ｌｉｋｅ）」要素であるガスを有するダブルキャパシタシステムと類似である。したがって、電力消費が存在する場合、それは「抵抗器のような」構成要素からということになる。しかしながら、放電プロセスがコールドプロセスであり、ジュール熱散逸が存在しないため、この「抵抗器のような」構成要素はオーミック損失を有する本物の抵抗器ではない。光子放出はまたジュール熱を生み出さない。電力消費のみが電源または電力トランス内部の望ましくない抵抗性構成要素によるものである。

各電極１５１は絶縁材料１５２で完全に包まれた電極から構成される。各絶縁体の上面には、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、ＰｂＯのような高い二次放出効率の材料だけでなく二次放出効率を有する他の材料を用いてコーティング１５３が施される。二つの電極１５１間に十分に高いＡＣ電圧が印加されると、電場は管内の低圧ガスの電気的な絶縁破壊をもたらすために十分に高くなる。絶縁体の内部に埋め込まれた電極１５１材料は半導体を含む様々な導電率を有する材料とすることができる。半導体材料は、シリコン、Ａｌ₂Ｏ₃：ＴｉＯ_2-X混合物、ＳｉＣ、ゲルマニウム、ガリウム化合物、ポリマ半導体、またはイオン導電性物質を有するポリマを含む。この材料の導電性により衝突電離プロセスにおける利得が制限され、したがってストリーマの利得が制御される。利得を制御することで電極を損傷させる可能性のあるアーク放電を抑制することができる。衝突電離利得因子は空気間隙および圧力の関数でもあり、したがって、電極材料の導電率は管の間隙およびガス圧によって変化する可能性がある。半導体電極を使用すると、現在の蛍光灯ランプにおいてバラストを使用する必要がなくなる。現在の蛍光灯ランプにおいてバラストは電流を制御するために必要であり、これが無いと、電流はランプ電気システムの負の差動抵抗のために制御できなくなる。半導体電極は自由電荷の数を制御することにより、より基本的なレベルで放電管の電流を制御および制限し、これはストリーマ生成のための電場を強め、電極に正のフィードバックシステム電場および電荷を形成することができる。

バラストが無いことで、合理的な衝突電離利得制御のために従来の蛍光灯ランプよりも短い電極間の間隙が要求される。典型的に、一気圧において間隙が１００ｕｍ未満である場合に均一な放電が可能である。蛍光灯ランプ管における典型的な圧力は気圧の０．３％である。したがって、これは３０ｃｍの最大間隙に変換することができる。電極間の間隙の所与の制限に対して、合理的な発光のために幅の広い電極が必要とされ得る。

電球またはＬＥＤのような集中させた点光源の照明システムの結果としての強い発光から目を保護するために、広域ランプは有用である。本発明の一実施形態では、広域でエネルギー効率の良い蛍光灯ランプが図１６で説明されている。図１６の図面は広域でエネルギー効率の良い蛍光灯ランプの側面図である。電極アセンブリは電極のシート１６１、絶縁体のシート１６２、およびコーティングのシート１６３から構成される。この場合、電極１６１、絶縁体１６２、および二次放出コーティング１６３はいずれもＵＶ透過材料から形成することができる。例えば、電極１６１は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）またはアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）のような、透明導電性酸化物から形成することができる。絶縁体１６２はポリイミド、ＰＥＴ、ガラス、または石英から形成することができる。二次放出コーティング層は例えばＭｇＯ、またはＧａＰとすることができる。

本発明の別の実施形態によりバラストフリーな蛍光灯ランプが可能になる。バラストフリーな蛍光灯ランプの一実施形態が図１７で説明されている。バラストフリーな蛍光灯ランプは従来の蛍光灯ランプと類似するが、電極１７１は金属の代わりに電気抵抗性材料または半導体材料から形成される。所与の放電間隙、ガス、圧力、および電圧に対して、強過ぎるストリーマまたは放電電流を抑制するために電極１７１材料の適切な導電率または抵抗率を選択することができる。これにより本蛍光灯ランプの高価な構成要素の一つが不要になる。電極１７１のための材料は、シリコン、Ａｌ₂Ｏ₃：ＴｉＯ_2-X混合物、ＳｉＣ、ゲルマニウム、ガリウム化合物、ポリマ半導体、またはイオン導電性物質を有するポリマとすることができ、その導電率は最良の結果を得るために調整することができる。

［オゾン発生器］
本発明の別の実施形態は電気放電システムを損傷させる可能性のあるアーク放電が発生しないエネルギー効率の良いオゾン発生器である。酸素（Ｏ₂）が被覆二重誘電体バリア放電（ＣＤＤＢＤ）システムに導入され、ＣＤＤＢＤ内部のプラズマを通じてオゾン（Ｏ₃）に変換される。ＣＤＤＢＤシステムを使用するエネルギー効率の良いオゾン発生器の一実施形態が図１８に示されている。各電極１８１は絶縁材料１８２で完全に包まれた電極から構成される。各絶縁体の上面には、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、ＰｂＯ、アルカリアンチモン化合物のような、高い二次放出係数を有する材料だけでなく他の高い二次放出係数を有する材料を用いてコーティング１８３が施される。二つの電極１８１間に十分に高いＡＣ電圧３１が印加されると、電場は空気中で十分に高くなり、空気は３－１０Ｖ／ｕｍで絶縁破壊し始める。Ｏ₃、ＮＯ、ＮＯ₂、ＮＯ（Ｈ₂Ｏ）_n、ＮＯ₂（Ｈ₂Ｏ）_n等を含む多くの異なるガス分子が生成される。酸素１８４のみが存在する場合、酸素タンク（図示されていない）から酸素１８４を強制的に流すことにより、オゾン１８５のみが生成される。絶縁体１８２があるため、電源からガス領域１８６へ通過する電荷は無く、すなわち、ＣＤＤＢＤシステムは容量性の負荷である。したがって、電源３１における望ましくない電力損失以外に電力を消費しない。ＣＤＤＢＤシステム１８７はまた空気が導電性である二つの静電容量システムとみなすこともできる。しかしながら、空気伝導はコールドプロセス（衝突電離またはコールドプラズマ）であり、熱散逸は無い。したがって、ＣＤＤＢＤシステム１８７全体では電源回路内の抵抗器による任意の他の望ましくない熱散逸以外に電力を消費しない。電源の最小電力消費設計（例えば、電力線からのダイレクト昇圧トランス）を用いると、電力消費は電力トランスでの消費のみにまで最小化することができる。このようなシステムはエネルギー効率の良いオゾン発生器である。

絶縁体１８２の内部に埋め込まれている電極材料１８１は半導体を含む様々な導電率を有する材料とすることができる。半導体材料はシリコン、Ａｌ₂Ｏ₃：ＴｉＯ_2-X混合物、ＳｉＣ、ゲルマニウム、ガリウム化合物、ポリマ半導体、またはイオン導電性物質を有するポリマを含む。この材料の導電性により衝突電離プロセスにおける利得が制限され、したがってストリーマの利得が制御される。利得を制御することによりＣＤＤＢＤシステムを損傷させる可能性のあるアーク放電が抑制される。衝突電離利得は空気間隙の関数でもあり、したがって電極材料の導電率は間隙にしたがって変化する可能性があり、そのため高効率のオゾン生成が達成される一方でアーク放電を伴わない。

エネルギー効率の良いオゾン発生器の別の実施形態が図１９に示されている。この実施形態はコア電極、絶縁体およびコーティングから構成され、電極アセンブリ１９１間の空気間隙１９２を有する平面電極アセンブリ１９１のアレイを備える図１８における実施形態を直列に拡張したものである。各電極１９１は、各ガス間隙１９２が印加された電圧からの電場、したがってパッシェン放電を有するように交流極性を有する電源に接続される。酸素１９３が電極アセンブリ１９１のシートのアレイ側に供給され、オゾン１９４が他の端部から出ていく。

上記の説明は例示的であることを意図するものであり、制約するものではないことを理解されたい。当業者においては上記の説明を読み、理解する際には多くの他の実施形態が明らかになるであろう。当業者には上記で論じられた実施形態のいずれかが特定の実装、設計考慮、目標等にしたがって様々な目的のために使用され得ることを理解されたい。したがって、範囲は、添付の特許請求の範囲を参照し、権利を与えられるそのような特許請求の範囲の同等物の全範囲とともに決定されるべきである。

説明の目的のために、上述の説明は固有の実施形態を参照して説明された。しかしながら、上記の例示的な議論は説明された実施形態を開示された正確な形態に徹底または限定することを意図したものではない。上記の教示を考慮した多くの修正およびバリエーションが可能である。実施形態は原理および様々な実施形態の実用的な適用を最も良く説明し、それにより他の当業者が検討される特定の使用に好適であり得るような様々な修正を用いて様々な実施形態を最も良く活用することを可能にするために選択され、説明された。

Claims (14)

1. プラズマの生成および使用ためのシステムであって、前記システムは
   被覆二重誘電体バリア放電（ＣＤＤＢＤ）デバイスを通過する宇宙線から電荷を生成するＣＤＤＢＤデバイスと、
   最初の電場を形成するためにエネルギーを前記ＣＤＤＢＤデバイスに供給する前記ＣＤＤＢＤデバイスに結合した電源と、
   を備え、
   前記ＣＤＤＢＤデバイスがガス媒体で満たされた間隙により隔てられた少なくとも二つの電極を備え、前記少なくとも二つの電極の各々が、前記少なくとも二つの電極内の電荷が前記ガス媒体を通過することを阻止する絶縁体で覆われ、前記少なくとも二つの絶縁体の各々の表面が前記絶縁体の材料よりも高い二次電子放出効率を有する材料で覆われ、
   前記宇宙線が最初の電場エネルギー以外の前記電源により供給される前記エネルギーを使用することなく前記ＣＤＤＢＤデバイスを通過する際に前記ガス媒体内のガス分子の衝突電離により前記ＣＤＤＢＤデバイスの前記間隙内で電荷が増倍される、
   システム。
2. 前記ＣＤＤＢＤデバイスが電気絶縁材料で形成された中空管を備え、前記中空管が当該中空管の遠位端に開口部を有し、前記中空管の内部空間がガス媒体で満たされ、前記中空管が、前記中空管の内部に電場を生成する前記中空管に沿って軸方向に隔てられた、前記中空管の外側にコーティングされた前記少なくとも二つの電極を備え、前記中空管の内表面が前記絶縁体の前記材料よりも高い前記二次電子放出効率を有する前記材料でコーティングされる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電気絶縁材料が１０¹⁷Ω・ｃｍよりも高い電気抵抗率および１５ＭＶ／ｍよりも高い絶縁耐力を有する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記電気絶縁材料が、石英、磁器、ガラス、ポリイミド、テフロン（登録商標）、またはポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）のうち一つである、請求項２に記載のシステム。
5. 前記中空管の前記少なくとも二つの電極に供給される電圧を調節する交流（ＡＣ）電源を備える前記電源であって、前記供給される電圧がパッシェン絶縁破壊電圧よりも高い、前記電源と、
   前記中空管内で生成された電荷が前記中空管から放出されて電荷のジェットを形成する、プラズマのジェットを形成する前記中空管と、
   をさらに備え、
   宇宙線が前記中空管を通過する際に前記中空管内のガス分子の電離によりプラズマが生成されて前記電源により供給される前記電圧が前記中空管の軸方向に電場を生成する前記パッシェン絶縁破壊電圧よりも高い場合に衝突電離プロセスにより電荷が増倍され、
   前記中空管が容量性のシステムであり、前記ＡＣ電源がプラズマの前記ジェットの形成のためにエネルギーを前記中空管に輸送しない、
   請求項２に記載のシステム。
6. 前記中空管が、風が当該中空管を通る向きになるようにその向きが定められ、前記中空管を通過する前記風の中の空気分子が運動エネルギーを前記中空管内で生成された前記プラズマ内で形成される帯電した分子または電子に変換し、前記風から前記帯電した分子または電子への前記運動エネルギーの前記変換が前記電荷の前記中空管からの放出を引き起こす、請求項５に記載のシステム。
7. 電荷が放出される前記中空管の端部と前記二以上の電極との間に、前記中空管の前記外側にコーティングされた第三の下流電極をさらに備え、前記第三の下流電極に最も近い前記二以上の電極のうち一つとは異なる一定のポテンシャルで第三の電極がバイアスをかけられ、前記中空管からの電荷の出力を促進するために前記第三の電極と前記二以上の電極のうち前記一つとの間の電場が前記ジェット内の電荷に軸方向のクーロン力を印加する、請求項５に記載のシステム。
8. 前記少なくとも二つの電極が金属電極である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記少なくとも二つの電極が半導体電極である、請求項１に記載のシステム。
10. 電力ストレージデバイスと、
    前記中空管から放出された電荷の前記ジェットを捕捉して前記捕捉した電荷から前記電力ストレージデバイスに電荷を供給する前記電力ストレージデバイスに電気的に結合した、金属プレートまたは金属メッシュと、
    をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
11. 電動デバイスと、
    前記中空管から放出された電荷の前記ジェットを捕捉して前記捕捉された電荷から電動デバイスに電力を供給するために電荷を供給する、前記電動デバイスに電気的に結合した金属プレートまたは金属メッシュと、
    をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
12. 前記ガス媒体が一気圧で酸素および窒素を含む、請求項１に記載のシステム。
13. ＣＤＤＢＤシステムが閉じた系であり、前記ガス媒体が一気圧の１％から一気圧までの範囲の圧力でヘリウムまたはアルゴンを含む、請求項１に記載のシステム。
14. 前記絶縁体よりも高い前記二次電子放出効率を有する絶縁材料をコーティングする前記材料が、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、ＰｂＯ、またはアルカリアンチモン化合物のうち一つである、請求項１に記載のシステム。

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