JP7496402B2 - 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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (11)
- 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、
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、
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せず、
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、
システム。 - 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1に記載のシステム。
- 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1に記載のシステム。
- 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1に記載のシステム。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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、
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、
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せず、
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、
システム。 - 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、
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、
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せず、
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、
システム。
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