KR102557832B1 - 자유 전하들, 오존 및 광을 생성하는 에너지 효율적인 플라즈마 프로세스들 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들은 코팅된 이중 유전체 장벽 방전 시스템(CDDBD)을 사용함에 의한 전류 소스, 광원 및 오존 생성기의 형성을 설명한다. 전하를 생성하기 위한 시스템은 가스 매질로 채워진 갭에 의해 분리되는 적어도 2개의 전극들을 갖는 CDDBD를 포함할 수 있고, 적어도 2개의 전극들 각각은 적어도 2개의 전극들 내의 전하들이 가스 매질을 통과하는 것을 방지하는 절연체로 커버되고, 적어도 2개의 절연체들 각각의 표면들은 절연체의 재료보다 높은 이차 전자 방출 계수를 갖는 재료로 코팅된다. 더구나, 전하를 생성하기 위한 시스템은 또한, CDDBD 디바이스와 결합되고, CDDBD 디바이스에 에너지를 공급하여 초기 전기장을 형성하는 전원을 포함할 수 있다.

Description

자유 전하들, 오존 및 광을 생성하는 에너지 효율적인 플라즈마 프로세스들
본 출원은 2017년 4월 28일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/492,103호, 2017년 6월 28일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/525,749호, 2017년 9월 5일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/554,552호 및 2017년 10월 22일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/575,503호에 대해 우선권 및 그 이익을 주장한다. 전술한 출원들의 개시 내용들 전체는 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 전류, 오존 및 광 생성의 분야에 관한 것이다.
지구는 지구 온난화의 위협하에 있고, 결과적인 기후 변화는 빈번한 또는 거대한 폭풍우들, 산불들, 육지들의 침수, 및 유용수원(useful water source)들의 용융으로 인구를 위협하고 있다. 지구 온난화는 60%를 넘는 세계 에너지를 생성하는 화석 연료 연소로부터의 이산화탄소(CO2) 방출에 의해 야기되는 것으로 여겨진다. 환경을 보호하기 위해, CO2를 방출하지 않는 에너지, 녹색 에너지 또는 재생 가능 에너지의 새로운 소스들이 계속해서 추구되고 있다. 풍력 에너지, 수력 에너지 및 핵 에너지는 추구되고 있는 재생 가능 에너지 소스들의 예들이다.
물 부족은 또한 지구 온난화로 인한 것뿐만 아니라 캘리포니아 또는 아프리카와 같은 특정 지역들에서의 건조한 날씨로 인한 어려운 문제이다. 사용되거나 오염된 물의 효율적인 재활용은 물 부족 문제들을 해결하는 데 도움이 될 것이다. 그러나, 사용되거나 오염된 물의 화학적 처리는, 예를 들어, 수영장들에서 사용될 때, 피부 자극을 야기하는 것으로 알려져 왔다. 또한, 그러한 처리된 물은 종종 예를 들어 음료수로 사용될 때 불쾌한 냄새를 갖는다. 오존수 처리는 우수한 물 처리 프로세스로 알려져 왔지만 오존 생성의 높은 에너지 비용을 겪는다.
조명 시스템들의 발광 효율은 백열 전구들에 대한 2%로부터 형광 램프들 또는 발광 다이오드(LED)들에 대한 20%까지 증가했다. LED 기술의 최근의 개발 및 비용 감소는 종래의 백열 전구들 또는 형광 램프들을 대체했다. 그러나, 훨씬 더 높은 에너지 효율이 추구된다. 또한, LED들은 현재 바람직하지 않은 독성 화학 에피택시 성장 프로세스로 제조되고 있다. LED의 작은 크기는 또한 약한 넓은 영역 방출로 동일한 전체 광 출력을 제공할 수 있는 넓은 영역 조명에 적합하지 않다. 이러한 넓은 영역 방출은 강한 작은 영역 방출 동안 사람들의 눈들에서 의도하지 않은 눈부심을 방지하는 데 특히 유용하다.
본 개시는 아래에 주어지는 상세한 설명으로부터 그리고 다양한 실시예들의 첨부 도면들로부터 더 충분히 이해될 것이지만, 이는 본 명세서에 설명되고 예시된 실시예들을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 단지 설명 및 이해를 위한 것이다.
도 1은 DC 전원을 갖는 코팅된 이중 유전체 장벽 방전(CDDBD: coated double dielectric barrier discharge) 시스템들의 일 실시예를 예시한다.
도 2는 전하 생성 및 광 방출을 야기하는 파셴 방전 임계치(Paschen discharge threshold) 위에서의 도 1의 CDDBD 시스템을 예시한다.
도 3은 반복된 전하 발생 및 광 방출을 야기하는 파셴 방전 임계치 위에서의 AC 전원을 갖는 CDDBD 시스템을 예시한다.
도 4는 우주선(cosmic ray)이 CDDBD 시스템 내에서 가스 분자를 이온화할 때의 도 1의 CDDBD 시스템을 예시한다.
도 5는 CDDBD 시스템 내에서 전하 증식이 발생하는 스테이지에서의 도 1의 CDDBD 시스템을 예시한다.
도 6a는 홀들을 갖는 평면형 CDDBD 시스템을 포함하는 전류 소스들의 일 실시예의 측면도를 예시한다.
도 6b는 홀들을 갖는 평면형 CDDBD 시스템을 포함하는 전류 소스들의 일 실시예의 평면도를 예시한다.
도 7a는 와이어 어레이들을 포함하는 CDDBD 시스템의 전류 소스들의 다른 실시예의 측면도를 예시한다.
도 7b는 와이어 어레이들을 포함하는 CDDBD 시스템의 전류 소스들의 다른 실시예의 평면도를 예시한다.
도 8a는 외부 튜브형 전극들을 갖는 절연 튜브를 포함하는, 플라즈마 튜브형 제트인 CDDBD 시스템의 전류 소스들의 다른 실시예를 예시한다.
도 8b는 전원의 반대 극성에서의 도 8a를 예시한다.
도 9는 CDDBD 시스템을 사용하는 전류 소스들의 일 실시예를 도시하며, 여기서 전하들은 제3 전극에 의해 확립된 전기장으로 추출된다.
도 10은 전기장을 사용하는 더 효율적인 전하 추출을 위한 제3 전극을 갖는 플라즈마 튜브 제트를 예시한다.
도 11은 도 1에 설명된 평면형 CDDBD 시스템을 사용하는 풍력 에너지 수확기의 일 실시예를 예시한다.
도 12는 도 7a 및 7b에서 설명된 와이어 CDDBD 시스템을 사용하는 풍력 에너지 수확기의 일 실시예를 예시한다.
도 13은 전극들 사이의 전압 차이, 파셴 방전이 없는 경우의 코팅들 사이의 전압 차이, 파셴 방전이 있을 때의 코팅들 사이의 전압 차이, 및 생성된 전하들을 예시한다.
도 14는 예시적인 매립된 전극들을 갖는 CDDBD 시스템의 일 실시예를 예시한다.
도 15는 CDDBD 시스템으로 이루어진 에너지 효율적인 형광 램프들의 일 실시예를 예시한다.
도 16은 CDDBD 시스템으로 이루어진 에너지 효율적인 대면적 형광 램프들의 다른 실시예를 예시한다.
도 17은 반도체 전극들로 이루어진 밸러스트-프리 형광 램프(ballast-free fluorescent lamp)들의 일 실시예를 예시한다.
도 18은 CDDBD 시스템으로 이루어진 에너지 효율적 오존 생성기들의 일 실시예를 예시한다.
도 19는 CDDBD 시스템으로 이루어진 탠덤형 에너지 효율적 오존 생성기(tandem energy efficient ozone generator)들의 다른 실시예를 예시한다.
이하의 설명에서는, 많은 상세가 설명된다. 그러나, 본 개시의 이익을 갖는 본 기술분야의 통상의 기술자에게는, 본 명세서에 설명된 실시예들이 이러한 특정 상세들 없이도 실시될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 일부 경우들에서는, 본 명세서에 설명된 실시예들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 구조들 및 디바이스들은 상세하게 보다는 블록도 형태로 도시된다.
이상적인 커패시터는 에너지를 소비하지 않는 전기 회로의 리액티브 컴포넌트이다. 2개의 전극들을 갖는 커패시터는 각각의 전극이 절연체로 커버되거나 매립되고 가스 시스템에서 이격되도록 제조될 수 있다. 교류(AC: alternating current) 전압이 커패시터에 인가되면, 전원에서의 원하지 않는 손실 이외의 전력 소비가 없다. 인가되는 AC 전압이 파셴 임계치보다 높으면, 플라즈마가 갭 안에 형성되지만, 갭은 여전히 전기적으로 더 높은 커패시턴스를 갖는 커패시터이다. 전극들을 커버하는 절연체를 전하들이 통과하지 않기 때문에, 전력은 소비되지 않는다. 플라즈마 액션의 결과적인 산물들은 공기 중의 전하들, 광 방출 및 라디칼 형성이다. 이러한 부산물들은 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 전류 소스, 에너지 효율적인 발광기, 및 에너지 효율적인 오존 생성기와 같은 시스템들을 형성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 코팅된 이중 유전체 장벽 방전 시스템(CDDBD)을 사용함에 의한 전류 소스, 광원, 및 오존 생성기의 형성을 설명한다. 실시예들에서, CDDBD 시스템은 전극들 및 그 사이의 가스 시스템을 커버하는 절연체를 갖는 전기 커패시터이다. 비소모적인 절연체로 인해, 그러한 시스템은 전원에서의 원하지 않는 전력 손실들 이외에 AC 전력을 소비하지 않는다. 파셴 파괴 전압보다 높은 AC 전압 진폭으로 인해, 공기 중의 전하들 및 광 방출은 추가적인 전력 소비 없이 그러나 전기장 에너지의 변환의 결과로서 발생한다. 매우 효율적인 전원 또는 전기 생성기로 인해, 네트 에너지 생성(net energy generation)이 양일 수 있으며, 네트 에너지는 자유 전하들 및/또는 광 방출로 이루어진다.
물리학 관점에서, 우주선들은 가스의 이온화를 트리거하고, 높은 전기장 하에서 전하 증식이 발생한다. 이것은 플라즈마가 형성되는 방식이다. 우주선들은 주로 태양계 외부에서 그리고 심지어는 먼 은하들로부터 생성되는 (십억 전자 볼트 범위의) 고에너지 복사선이다. 우주선들은 주로 양성자들, 원자핵들 및 강한 에너지의 고립 전자들로 구성된다. 우주선들은 우주로부터, 즉 자유롭게 주어지지만, 후속적인 전하 증식 프로세스들은 전기장 에너지의 이온화 및 광 방출로의 변환을 수반한다.
본 명세서에서 논의된 실시예들에서, 방전 시스템에서 생성된 전하들은 연속 전류 소스를 달성하기 위해 본 명세서에서 논의된 전극 기하 구조를 통해 자유롭게 될 수 있다. 일 실시예에서, 풍력 에너지는 방전 시스템으로부터의 전하들의 자유화를 향상시키기 위해 효과적으로 사용될 수 있고, 따라서 그러한 시스템은 풍력 에너지 대 전기 에너지 변환기가 된다. 다른 실시예에서, 플라즈마 내에 생성된 라디칼들은 시스템으로 하여금 산소 주입을 이용하는 에너지 효율적인 오존 생성기가 되게 한다. 또 다른 실시예에서, 이 시스템으로부터의 광 방출은 에너지 효율적 조명 시스템으로서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 많은 분야, 예를 들어, 전기 발전기들, 광 발전기들 및 오존 생성기들에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 발전기들, 광 생성기들 및 오존 생성기들의 실시예들을 설명할 것이다. 예를 들어, 발전기로서, 본 발명의 실시예들은 전원, 배터리 충전기, 전류 소스, 및 풍력 에너지의 변환과 관련하여 사용되는 경우의 풍력 에너지 수확기를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 광 생성기로서, 본 발명의 실시예들은 에너지 효율적인 또는 저비용의 형광 램프로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 오존 생성기로서, 본 발명의 실시예들은 물 처리, 식품 처리 및 직물 처리에서 유용한 응용들을 갖는 효과적인 병원균 킬러로서 사용될 수 있는 에너지 효율적인 오존 생성기와 관련된다.
코팅된 유전체 장벽 방전 시스템
본 발명의 동작 원리 및 제1 실시예는 도 1 내지 5를 참조하여 설명될 것이다. 도 1은 코팅된 이중 유전체 장벽 방전(CDDBD)) 시스템(10)을 도시하며, 여기서는 특수 코팅(13)이 도포된 절연체(12)로 커버된 전극들(11)이 가스(15) 내의 갭(14)으로 분리된다. 전원(16)이 CDDBD 시스템에 결합된다. CDDBD 시스템(10)은 전기적으로 2개의 절연 재료, 즉 절연체(12) 및 갭 내의 가스(15)를 갖는 커패시터이다. 전원(16)에 의해 전압이 인가될 때, 전하들(17)이 전극들을 향해 이동하고 전기장(18)을 확립한다. 절연체(12)가 매우 높은 전기 저항률을 갖는 한, 전하 소모 및 전력 소비가 없다.
공기 양단의 전압이 파셴 임계치보다 높으면, 공기 파괴가 발생한다. 파셴 파괴는 도 2에 도시된 바와 같이 전하 생성들(21)뿐만 아니라 광 방출들(22)을 유발한다. 이 프로세스에서 생성된 전하들은 반대 부호를 갖는 전극으로 이동하고, 초기 전기장(18)과 반대인 전기장(23)을 형성하고, 따라서 전극에서 전압 경계 조건을 충족시키기 위해 더 많은 전하(24)가 전극들 안으로 흐른다. 그러나, 여전히 어떠한 전하도 커패시터를 통과하지 않고, 전력은 소비되지 않는다. 생성되는 전하들 및 광은 생성되는 것이 아니라, 원래의 전기장(18)의 에너지로부터 변환되며, 따라서 에너지의 보존을 충족시킨다. 전기 회로의 관점에서, 커패시턴스의 값이 변경되었고, 따라서 더 많은 전하가 전극들로 전송되어 V=Q/C=Q'/C'를 충족시켰으며, 여기서 C는 파괴 전의 커패시턴스이고, C'는 파괴 후의 커패시턴스이다.
실시예들에서, CDDBD에서 사용되는 절연체(12)에 대한 재료는 전극들(11)로부터의 전하들이 가스 매질로 누설되지 않도록 전기 저항이 매우 크다. 절연체 재료(12)는 또한, CDDBD 시스템에서 사용되는 전기장 하에서 재료가 전기적으로 파괴되지 않도록 높은 유전 강도를 갖는다. 예를 들어, 절연체(12)에 대한 재료는 석영, 자기, 유리, 폴리이미드, 테플론 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같이 1017 Ω·cm보다 높은 전기 저항률 및 15 MV/m보다 높은 유전 강도를 가질 수 있다.
CDDBD 시스템에서 설명되는 가스 매질(15)은 공기일 수 있으며, 이는 1기압에서 질소 및 공기를 포함한다. CDDBD 시스템은 또한, 가스 매질(15)이 1기압 미만에서 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스 시스템인 밀폐형 시스템으로서 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 AC 전압(31)이 인가되는 경우, 전하 생성(21) 및 광 방출(22)의 연속 동작이 발생한다. 극성이 변함에 따라, 파셴 임계치가 잔류 전하들로 인해 변하고, 새로 생성된 전하들의 위치가 뒤바뀐다. 그러나, 각각의 사이클에서, 전하들(21) 및 광 방출(22)의 새로운 생성이 발생한다. 여전히, 전기 회로 관점에서, 이것은 커패시턴스 회로이고, CDDBD 시스템에서 전력 소비가 없다. 적절한 코팅(13)이 절연체 상에 도포되면, 전하 생성 및 광 방출이 향상될 수 있다. 코팅은 알칼리 안티몬화물, 베릴륨 산화물(BeO), 마그네슘 산화물(MgO), 갈륨 인화물(GaP), 갈륨 비화물 인화물(GaAsP), 납 산화물(PbO), 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)과 같이 높은 이차 전자 방출 계수를 갖는 재료이다. 코팅 재료는 또한 하나의 전자 충돌이 많은 전자를 생성하는 광 증배기를 위해 사용되는 캐소드 재료일 수 있다. 그 다음, 이러한 AC 구동 CDDBD 시스템에서 생성된 네트 에너지는 생성된 전하들 및 광 방출의 총 에너지로부터 전원 시스템에서 발생하는 손실들을 뺀 에너지일 것이다. 여기서, 플라즈마는 플라즈마 영역에서 어떠한 주울 가열(joule heating)도 없는 콜드 플라즈마(cold plasma)로 제한된다. 플라즈마의 강도는 또한 전극(11) 재료들의 전도성에 의해 제어될 수 있다. 스트리머(Streamer)들은 일반적으로 대기압 플라즈마 시스템에서 발생하는 고강도 필라멘트 방전이다. 스트리머들은 전극(11)에서의 자유 전하들로부터의 전기장 증대의 양의 피드백으로 인해 발생한다. 스트리머 강도는 전극(11)에서 자유 전하 밀도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 전기 저항률 ~106 Ω·cm를 갖는 반도체 재료를 사용함으로써, 자유 전하들이 전기 저항률 ~10-6 Ω·cm를 갖는 통상적인 금속들에 비해 1010만큼 감소된다.
본 명세서에서 논의된 실시예들에서, 본 발명의 실시예들에서 설명된 플라즈마 프로세스들은 우주선들의 에너지를 수확한 다음에 전기장 에너지를 자유 전하들 및 광으로 변환한다. 종래의 시스템들과 달리, 플라즈마는 도 4에 도시된 바와 같이 우주선들(41)에 의해 점화된다. 공기 분자의 통상적인 이온화 에너지는 10-20eV 정도, 예를 들어 질소 분자에 대해 15eV이다. 이온화는 고전압 전원으로부터 통상적인 전기장만을 인가함으로써 달성될 수 없다. 우주선들(41)의 90%는 GeV의 에너지를 갖고, 이들 중 90%는 양성자이다. 따라서, 우주선들(41)은 가스 분자들을 이온화하기에 충분한 높은 에너지를 갖는다. GeV 우주선들(41)은 하나 또는 2개의 가스 분자들을 도중에 이온화하고 계속 진행한다. 따라서, 에너지의 초기 15eV는 우주로부터 자유롭다.
도 4는 우주선 이온화 프로세스를 설명한다. 전기장이 없는 곳에서 우주선 유도 이온화가 발생한 경우, 양이온들(42) 및 전자들(43)은 많은 운동 에너지를 갖지 않으며, 심지어는 재결합할 것이다. 그러나, 전기장 내에서 이온화가 발생한 경우, 양이온들(42) 및 전자들(43)은 반대 방향으로 가로질러 스위핑(sweeping)될 것이다. 이 시점에서, 이러한 전자 및 양이온은 구성에 따른 퍼텐셜 에너지를 갖는다. 결합된 퍼텐셜 에너지는 eE·g이고, 여기서 e는 전하이고, E는 전기장이고, g는 갭(14)이다. 예를 들어, 플라즈마 영역에서, 전기장은 9V/μm이고, 갭은 100 μm이라 한다. 음극 근처에서 이온화가 발생한 경우, 전자는 양극으로 가속될 것이다. 이 전자의 퍼텐셜 에너지는 e·E·g=e·(9V/μm)·(100 μm)=900eV이다. 이온화가 플라즈마 영역의 중심에서 발생한 경우, 전자는 퍼텐셜 에너지로 450eV를 갖고, 양이온은 450eV를 갖는다. 이온화가 양극 근처에서 발생한 경우, 양이온은 900eV를 가지며, 전자는 퍼텐셜 에너지를 갖지 않는다. 평균적으로 또는 통계적으로, 이러한 플라즈마 영역에서의 평균 전자 퍼텐셜 에너지는 450eV일 것이다. 공기 분자들이 주위에 없는 경우, 전자는 그의 속도를 얻을 것이고, 450eV 퍼텐셜 에너지는 운동 에너지로 변환될 것이다. 가스 분자들이 주위에 있을 때, 전자는 공기 분자들과 충돌할 것이고, 운동 에너지가 충분히 높다면, 다른 공기 분자를 이온화할 것이고, 기타 등등이다. 이것은 도 5에 도시된 바와 같이 충돌 이온화 프로세스 또는 눈사태 프로세스이다. 질소 이온화 에너지가 15eV이므로, 450eV 퍼텐셜 에너지는 충돌 이온화 프로세스를 통해 30개의 자유 전자들(52) 및 양이온들(51)을 생성할 수 있다. 따라서, 이 시점에서, 우리는 우주선 및 전기장으로부터의 이온화 프로세스로부터 30개의 자유 전자들(52) 및 양이온들(51) 및 광들을 획득하였으며, 여기서 전기장 에너지는 29개의 전자 및 양이온 및 광 방출에 대응하는 정확한 양만큼 감소된다.
전하들, 즉 양이온들(51) 및 전자들(52)의 제거는 원래의 전기장 에너지를 복원할 것이고, 프로세스는 계속된다. 전하들의 제거는 다음 섹션들에서 설명될 풍력 에너지뿐만 아니라 효과적인 전극 기하 구조로 가능하게 될 수 있다. 연속적으로 자유로워지는 전하들을 갖는 CDDBD 시스템은 전류 소스이고, 따라서 이러한 시스템은 발전기이다.
코팅된 이중 유전체 장벽 방전(CDDBD) 시스템으로부터의 전류 소스
도 6-9에 설명된 본 발명의 제2, 제3, 제4 및 제5 실시예는 공기 중의 전하들이 CDDBD 시스템을 탈출할 수 있도록 구성된 CDDBD 시스템의 버전들이다. 자유로워진 전하들은 전자 디바이스들을 직접 구동하기 위해 캡처 및 사용되거나, 배터리들과 같은 전기 저장 시스템들에 저장될 수 있다. 도 6a 및 6b는 전하 탈출을 위해 특별히 설계된 도 1-5에 설명된 실시예의 변형 실시예를 예시한다. 홀들(63)은 각각의 전극/절연체/코팅 조립체 상에 형성된다. 도 6a는 이 실시예의 측면도(61)이고, 도 6b는 평면도(62)이다. 전기장들(64)은 각각의 전극 조립체 밖으로 연장되고, 따라서, 전자들(65) 및 양이온들(66)은 CDDBD 시스템 밖으로 탈출할 수 있다. 전자 디바이스들을 구동하거나 배터리들과 같은 전기 저장 디바이스들에 저장되도록 탈출 전하들이 수집될 수 있다. 전하들이 모두 소거되면, 도 1의 원래의 전기장은 전원으로부터의 전하들의 어떠한 사용도 없이, 따라서 어떠한 에너지도 사용하지 않고서 복원된다. 따라서, 지속 가능한 전하 공급, 즉 전류 공급이 가능하다. 그러나, 도 6a의 일부 전하들(67)은 홀들(63) 근처에 있지 않기 때문에 이러한 전하들은 탈출할 수 없을 것이다. 도 6a 및 6b에 설명된 실시예는 가장 효율적인 전류 소스가 아닐 수 있지만, 도 1-5에 설명된 이전 실시예들로부터 많이 벗어나지 않으면서 원리의 설명을 위해 여기서 언급된다.
도 7a 및 7b에 설명된 본 발명의 제3 실시예는 전류 소스의 다른 버전이다. 도 7a는 이 실시예의 측면도(71)이고, 도 7b는 평면도(72)이다. 전극/절연체/코팅 조립체는 와이어(73)의 형상으로 제조되고, 가장 내부 부분은 전극(73a)이고, 중간 부분은 절연체(73b)이고, 외부 부분은 높은 이차 전자 방출 계수를 갖는 코팅(73c)이다. 상부 및 하부 전극 영역은 와이어들(74a, 74b)의 어레이로 형성되고, 전기장(78)이 이러한 와이어들(74a, 74b)의 2개의 어레이 사이에 형성된다. 전기장(78)은 와이어 어레이들(74a, 74b) 밖으로 연장되고, 상부 와이어 어레이(74a)와 하부 와이어 어레이(74b) 사이에 생성된 전하들(77a, 77b)은 와이어들 사이의 간격을 통해 탈출할 수 있다. 와이어들(76) 사이의 공간은 와이어 직경(75)보다 상당히 더 크며, 따라서 탈출 효율은 홀들(63)을 갖는 평면형 전극들(11, 12, 13)을 갖는 도 6의 실시예보다 크다. 본 실시예는 전원에서의 원하는 않는 손실들 이외에 전원으로부터 어떠한 전력도 소비되지 않는 CDDBD 시스템으로부터 최적화되는 전류 소스 또는 전류 생성기이다. 따라서, 네트 출력 전력은 자유 전하들로부터 원하는 않는 전원 손실들을 뺀 값이다.
도 8a 및 8b에 설명된 본 발명의 제4 실시예는 전하들이 CDDBD 시스템으로부터 쉽게 탈출할 수 있도록 최적화되는 전류 소스로서 최적화되는 CDDBD 시스템의 다른 버전이다. 도 8a 및 8b에 설명된 실시예는, 내부 표면(85)이 높은 이차 전자 방출 계수 재료로 코팅되고 2개의 튜브형 전극들(83, 84)이 튜브의 외경에 구성되는 전기 절연 튜브(82)로 구성되는 플라즈마 튜브 제트(81)이다. 전기 절연 튜브(82)는 예를 들어 석영, 자기, 유리, 폴리이미드, 테플론 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 하나로 이루어질 수 있다. 플라즈마 또는 전하 증배는 CDDBD 시스템의 제1 실시예의 섹션에서 설명된 것과 동일한 원리를 갖는 튜브 내부에 형성된다. 전원으로부터 튜브형 전극들(83, 84)로 보내지는 전하들은 절연 튜브를 결코 통과하지 않으므로, 전원 내에서의 원하지 않는 손실들 이외에 전원으로부터 전력이 소비되지 않는다. 튜브 내의 전기장(88a, 88b)은 튜브형 전극의 길이에 걸쳐 연장되고, 따라서 전하들은 축방향 축을 따라 상당한 양의 운동 에너지를 얻고, 튜브(86, 87)로부터 탈출할 수 있다. 전하들의 속도는 양이온들의 경우 1km/초 정도로 그리고 전자들의 경우 200km/초 정도로 높게 도달할 수 있다. 탈출 전하들(86, 87)은 플라즈마 튜브 제트(81)의 외부의 전극에서 수집될 수 있고, 이들은 기구의 전류 소스로서 직접 사용될 수 있거나 전기 저장소에 저장될 수 있다. 도 8a 및 8b는 AC 전원을 갖는 이러한 실시예를 예시한다. 도 8a는 특히 우측 전극(84)이 좌측 전극(83)보다 더 양의 전압에 있을 때를 예시한다. 따라서, 도 8a의 전기장(88a)은 좌측 방향을 향하고, 양이온들(87a)은 좌측의 개구로부터 탈출하며, 전자들(86a)은 우측의 개구로부터 탈출한다. 도 8b는 특히 우측 전극(84)이 좌측 전극(83)보다 더 음의 전압에 있을 때를 예시한다. 따라서, 도 8b의 전기장(88b)은 우측 방향을 향하고, 양이온들(87b)은 우측의 개구로부터 탈출하며, 전자들(86b)은 좌측의 개구로부터 탈출한다.
전류 소스로서 이용될 수 있는 본 발명의 제5 실시예가 도 9에 예시되어 있다. 도 9에 설명된 실시예는 이온 제트이고, 여기서 플라즈마 영역(15) 내의 전하들(94, 95)은 제3 전극(91)에 의해 확립된 전기장(93)에 의해 추출된다. AC 전원(16)으로 동작되는 CDDBD 시스템(10)에 이어서, 추가 전극(91)이 갭과 함께 배치되고, 전극(91)은 다른 DC 전원(92)에 의해 바이어싱되어, 제3 전극(91)의 전압과 처음 2개의 전극들(17)의 평균 전압 사이에 고정된 전압 차이를 갖게 된다. 제3 전극(91)의 전압과 처음 2개의 전극들(17)의 평균 전압 사이에 충분한 전위차가 존재하면, 쿨롱 힘들에 의해 CDDBD 시스템의 플라즈마 영역(15)으로부터 제3 전극을 향해 전하들(94, 95)이 추출된다. 도 9는 평면형 CDDBD 시스템(10)을 갖는 이온 제트를 설명하지만, 예를 들어, 도 6-8에 설명된 임의의 CDDBD 시스템이 전하들을 추출하기 위한 강한 전기장을 형성하기 위해 유효하게 제3 전극 옆에 배치되는 한 이러한 임의의 CDDBD 시스템이 대신 사용될 수 있다.
전류 소스로서 이용될 수 있는 본 발명의 제6 실시예가 도 10에 예시되어 있다. 도 10에 설명된 실시예는 상이한 전위에서 그러나 도 8a 및 8b에 설명된 플라즈마 튜브 제트(81)의 프레임에서 추가 전극을 이용한 전기장의 도움으로 CDDBD 시스템 내에서 전하들을 추출하는 다른 실시예이다. 도 10에 설명된 새로운 플라즈마 튜브 제트(101)에서, 제3 전극(102)은 처음 2개의 전극들(83, 84)과 동일한 방식으로, 그러나 전하가 축출되는 튜브(104)의 단부와 전극(84) 사이에 구성된다. 제3 전극(102)은 DC 오프셋을 갖는 것으로 일반적으로 설명되는 제2 전극(84)의 전압에 대해 일정하거나 그와 상이한 전압을 갖는 DC 오프셋 전원(103)에 접속된다. 예를 들어, 도 10에서, 오프셋 전원(103)의 극성은 제3 전극 전압이 제2 전극(84)보다 더 양이 되도록 설정된다. 제2 전극(84)과 제3 전극(102) 사이의 전기장(105)은 전자들에 쿨롱 힘들을 인가하고, 제1 전극(83)과 제2 전극(84) 사이에 확립된 플라즈마로부터 전자들(106)을 더 추출한다. 제3 전극(102)에 의해, 전기장(105)은 또한 도 8a 및 8b의 제3 전극 없는 튜브 제트의 전기장(88a 88b)에 비하여 더 직선화될 수 있고, 따라서 전하 추출 효율이 증가한다. DC 오프셋 전원(103)의 극성이 고정되기 때문에, 도 10에 설명된 플라즈마 튜브 제트(101)는 하나의 전하를 다른 것보다 선호한다. 예를 들어, 도 10에서, 선호되는 전하는 전자(106)이다. 제2 전극(84)과 제3 전극(102) 사이의 전기장(105)은 파셴 임계치보다 높지 않으므로, 이 영역에서는 새로운 전하들이 생성되지 않는다. 전기장(105)은 효율적인 전하 추출을 위해서만 사용된다.
풍력 에너지 수확기
CDDBD 시스템들은 풍력 에너지 수확기들로서 사용될 수 있다. 도 6-10에 설명된 본 발명의 실시예들은 특히 용이한 전하 탈출을 위한 전극 설계들을 갖는다. 전하 탈출은 전하들이 탈출할 홀들 또는 튜브들을 갖는 주요 플라즈마 영역 밖으로 전기장이 연장되게 하는 특수한 전극 설계들로 가능하다. 그러나, 전하들이 고착될 수 있는 방해 요소들로 인해 효율은 높지 않을 수 있다. 전하 추출 효율은 공기 흐름 또는 바람으로 전하들을 날려보냄으로써(예컨대, 바람 내의 공기 분자가 하전된 분자들 또는 전자들에 운동에너지를 전달하여 전하가 튜브로부터 축출될 수 있게 함으로써) 증가될 수 있다. 양이온들 및 전자들은 공기 중에 있고 공기 흐름에 따라 이동한다. 따라서, 바람 또는 공기 흐름은 CDDBD 시스템 밖으로 전하들을 이동시키는 것을 도울 수 있고, 따라서 전하들은 전기 에너지 소스로서 사용되도록 자유로워질 수 있다. 이 프로세스에서, 바람은 CDDBD 전위에 결합된 전하들을 자유롭게 한다. 전하들이 CDDBD 결합 전위로부터 자유롭게 될 만큼 많은 전기 퍼텐셜 에너지를 획득함에 따라, 바람은 에너지 보존 법칙에 따라 그의 운동 에너지를 잃는다. 따라서, CDDBD 시스템에 이용되는 이 실시예는 풍력 에너지 수확기로 지칭된다.
CDDBD 시스템을 사용하는 풍력 에너지 수확을 위해 구성된 본 발명의 실시예가 도 11에 예시되어 있다. 이 실시예에서, 양이온들(112)은 CDDBD 시스템(10)으로부터 날려보내져서(113) 다운스트림(116)에서 수집된다. 이것은 양이온들(112)이 전자들(111)보다 오래 공기 안에 머무르기 때문이다. 대기 방전 시스템에서, 충돌 이온화 이득은 높고, 방전들은 일반적으로 스트리머들을 형성한다. 스트리머 내의 전자들(111)은 일반적으로 100 nsec 안에 양극에 도달하는 반면, 양이온들(112)이 음극에 도달하는 데에는 수 밀리초가 걸린다. 따라서, 전자들(111)보다 양이온들(112)을 수집하는 것이 더 용이하다. 전자들(111)은 파괴 경로를 접지에 배치함으로써 내부 코팅으로부터 제거될 수 있다. 접지된 금속 프로브(114)가 내부 코팅과 접촉하는 것이 아니라 그 근처에 배치될 수 있고, 따라서 코팅이 전하들 없는 값 위의 전위에 도달할 때마다, 코팅과 프로브 사이의 공기가 파괴된다(115). 이러한 종류의 셋업은 코팅 상의 임의의 전자(111)의 퇴적물들을 제거하는 것을 보장할 것이다. 100 nsec 내에, 전자들(111)은 떠날 것이고, 남은 양전하들(112)은 바람(113)에 의해 날려보내질 수 있다. CDDBD 시스템으로부터 날려보내진 양이온들은 전극(116)에 의해 수집될 수 있고, 전류 소스로서 사용되거나 전기 저장 시스템에 저장될 수 있다.
CDDBD 시스템을 사용하는 풍력 에너지 수확을 위해 구성된 본 발명의 다른 실시예가 도 12에 도시되어 있다. 평면형 전극 조립체들(11, 12, 13)에 의해 형성된 플라즈마 영역(15)의 채널 대신에, 2개의 와이어 전극 조립체(73)의 기하 구조는 전하들에 더 접근 가능하게 한다. 각각의 와이어 전극 조립체(73)는 코어 전극(73a), 절연체(73b), 및 높은 이차 전자 방출 재료를 갖는 코팅(73c)으로 구성된다. 전자들(123)은 수백 나노초 내에 플라즈마 가스 영역(15)을 가로지르고, 양이온들(124)은 여전히 약 수 밀리초 동안 플라즈마 가스 영역(15) 내에 있다. 양이온들(124)은 바람(125)이 날려보내도록 더 쉽게 접근 가능하다.
도 12에 설명된 이러한 실시예에서는, AC 전원이 와이어의 중심에 접속된다. 극성이 주기적으로 변하기 때문에, 와이어의 코팅(73c) 상에 퇴적된 전자들은 극성이 변할 때마다 리셋 또는 제거된다. 따라서, DC 전원을 이용하는 도 11에 설명된 실시예와는 대조적으로, 도 12에서 설명된 실시예에서는 접지에 대한 경로가 필요하지 않다. AC 전원을 사용하여, 연속 전하 생성 및 바람에 의한 전하들의 날려보냄이 가능하다. 각각의 하프 사이클에서, 새로운 전하 생성이 개시된다. 도 13은 각각의 사이클에 대한 단계별 전압 및 전하 생성을 설명한다. 곡선(131)은 2개의 코어 전극(73a) 사이의 전압 차이이고, 곡선(132)은 파셴 방전이 없는 경우에 2개의 외부 코팅(73c) 사이의 그들의 가장 가까운 포인트들에서의 갭 전압이고, 곡선(133)은 파셴 방전이 발생한 경우에 외부 코팅들(73c) 사이의 그들의 가장 가까운 포인트들에서의 실제 갭 전압이다. 곡선(133)은 파셴 파괴에 의해 본 가스 시스템(15)의 파셴 임계치(135)로 제한된다. 파셴 파괴는 곡선(132)이 시간(136a)에 파셴 파괴 임계치(135)보다 클 때 시작된다. 곡선(134)은 시간(136a)에 시작되는 전하 생성의 곡선이다. 이것은 코어 전극(73a)에서의 전압(131)이 시간(137a)에 증가를 멈출 때까지 계속된다. 이 시점에서, 최대 수의 양이온들(124) 및 전자들(123)이 생성된다. 전자들(123)은 외부 코팅들(73c) 중 하나에 부착될 가능성이 가장 크지만, 양이온들(124)은 여전히 수 밀리초 동안 공기 중에서 부유한다. 시간(138a)에, 갭 전압(133)은 0이고, 이때 양전하들(124)은 CDDBD 전위에 최소한 결합되고, 바람에 의해 시스템 밖으로 쉽게 날려보내진다. AC 전원을 갖는 것은 양이온들이 CDDBD 전위에 최소한 결합될 때 제로 교차점들은 물론, 전하 생성 프로세스의 연속성을 갖는 이점을 갖는다. 프로세스는 코어 전압(131)이 다른 극성으로 스윙하는 것으로 계속된다. CDDBD 시스템으로부터 제거되지 않은 공간 전하 전자들(123) 및 양전하들(124) 때문에, 파셴 파괴는 시간(136c)에서보다 시간(136b)에 더 일찍 발생하며, 여기서 정확한 파셴 임계치는 외부 전원에 의해 발생한다. 전하 생성은 코어 전압(131)이 더 이상 증가하지 않는 시간(137b)까지 반대 방향으로 계속된다. 코어 전압(131)이 원래 극성으로 다시 스윙함에 따라, 갭 전압(133)은 시간(138b)에 또 다른 제로와 교차하며, 이 시간에 양이온들(124)은 CDDBD 시스템의 전위에 최소한 결합된다. 그리고, 프로세스는 원래의 극성에 따라 계속된다. 파셴 파괴는 이전의 하프 사이클로부터의 공간 전하들로 인해 그러한 제1 사이클보다 더 일찍 발생한다.
AC 전원을 갖는 도 12에 설명된 실시예는, 전하들 중 어느 것도 복합 와이어(73) 내의 절연체(73b)를 통과하지 않기 때문에, 원하지 않는 전원 손실 이외에 전력을 소비하지 않는다. 따라서, AC 전원을 갖는 도 12에 설명된 실시예는 풍력 에너지를 대가로 하는 연속적인 전류 생성기이다. 따라서, 도 12에 설명된 실시예는 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 풍력 에너지 수확기이다. 도 6-10의 실시예에 설명된 바와 같은 CDDBD 시스템으로 연속적인 전류 소스가 가능하며, 여기서 바람은 전하 추출 효율을 증가시킨다.
매립 전극
본 발명에 설명된 모든 실시예들에서, 가스 매질에 노출되는 전극들은 절연 체 내에 밀폐되는 전극들, 소위 매립 전극들로 대체될 필요가 있을 수 있다. 매립 전극의 예가 도 14에 설명되어 있다. 도 1에 설명된 CDDBD 시스템에서, 전극들(11)은 가스 매질에 노출된다. 높은 전기장 하에서는, 전극(11)과 코팅(13) 모두가 가스 매질에 노출되는 에지에서 전극(11)과 코팅(13) 사이에서 파셴 가스 파괴가 발생하는 것이 가능하며, 이는 절연체(12)의 목적에 반한다. 이것은 특히 코팅(13) 상에 다량의 전하가 퇴적될 때 발생할 수 있다. 이어서, 코팅(13)과 전극(11) 사이의 전기장은 가스 시스템의 파셴 임계치를 초과할 수 있고, 에지에서 전극(11)과 코팅(13) 사이에 원하지 않는 단락이 발생할 수 있다. 이러한 종류의 원치 않는 시나리오를 방지하기 위해, 전극(141)은 도 14에 도시된 바와 같이 절연체(142) 내에 매립된다.
형광 광
본 발명의 다른 실시예는 에너지 효율적인 형광 램프이다. 앞서 설명된 CDDBD 시스템은 충돌 이온화 프로세스를 통해 전하 증배 프로세스를 가능하게 한다. 충돌 이온화 프로세스 동안, 광자들이 방출된다. 광자들이 방출되는데, 이는 여기 상태 분자들이 눈사태 프로세스에서 생성된 후에 광자들을 방출함으로써 기저 상태로 떨어지기 때문이다. 초기 전기 퍼텐셜 에너지의 일부만인 광자 에너지가 획득된다. 이러한 프로세스의 반복은 AC 전력이 전극들에 인가되는 경우에 지속될 수 있다. 에너지 효율적인 형광 램프의 제1 실시예가 도 15에 설명되어 있다. CDDBD 시스템은 가스 시스템(155)을 포함하는 유리 튜브(154) 내에 구성된다. 가스 시스템(155)은 아르곤, 제논, 네온 및 크립톤을 갖는 저압 수은 증기와 같은 현재의 형광 램프에서 사용되는 통상적인 가스 시스템이다. 유리 튜브(154)의 내부 표면은 UV 대 가시 변환을 위한 형광 재료들로 코팅된다. 전극들(151)이 절연체(152)로 커버되기 때문에, 방전 영역(155)과 전원 시스템(31) 사이에 전하 교환이 존재하지 않는다. 회로는 2개의 커패시터들 사이에 "저항기형" 요소인 가스를 갖는 이중 커패시터 시스템과 유사하다. 따라서, 임의의 전력 소비가 있다면, 이것은 "저항기형" 컴포넌트로부터의 소비일 것이다. 그러나, 이러한 "저항기형" 컴포넌트는 저항 손실을 갖는 실제 저항기가 아니며, 방전 프로세스는 콜드 프로세스이므로, 주울 열 소모가 없다. 광자 방출은 또한 주울 열을 생성하지 않는다. 전력 소비만이 전원 또는 전력 변압기 내의 원하지 않는 저항성 컴포넌트들로부터의 소비이다.
각각의 전극(151)은 절연 재료(152)로 완전히 둘러싸인 전극으로 구성된다. 각각의 절연체 상부에, 코팅(153)이 Ni, W, Mo, BeO, MgO, GaP, GaAsP, Si, PbO뿐만 아니라 높은 이차 방출 계수를 갖는 다른 재료들과 같은 높은 이차 방출 계수의 재료로 도포된다. 충분히 높은 AC 전압이 2개의 전극들(151) 사이에 인가되면, 전기장은 튜브 내의 저압 가스의 전기적 파괴를 갖도록 충분히 높아진다. 절연체 내부에 매립된 전극(151) 재료는 반도체를 포함하는 다양한 전도도를 갖는 재료일 수 있다. 반도체 재료들은 실리콘, Al2O3:TiO2 -x 혼합물, SiC, 게르마늄, 갈륨 화합물, 폴리머 반도체들, 또는 이온 전도성 에이전트들을 갖는 폴리머를 포함한다. 이러한 재료의 전도도는 충돌 이온화 프로세스에서의 이득을 제한하고, 따라서, 스트리머의 강도를 제어한다. 이득의 제어는 전극들을 손상시킬 수 있는 아크 발생(arcing)을 억제할 수 있다. 충돌 이온화 이득 인자는 또한 공기 갭 및 압력의 함수이므로, 전극 재료의 전도도는 튜브의 갭 및 가스 압력에 따라 변할 수 있다. 반도체 전극들을 갖는 것은 현재의 형광 램프들에서 사용되는 밸러스트에 대한 필요성을 제거한다. 현재의 형광 램프들 내의 밸러스트는 전류를 제어하는 데 필요하며, 이것이 없으면, 램프 전기 시스템의 음의 차동 저항으로 인해 전류가 제어될 수 없다. 반도체 전극은 자유 전하의 수를 제어함으로써 더 기본적인 레벨에서 방전 튜브의 전류를 제어하고 제한하며, 이는 스트리머 생성을 위한 전기장을 증대시키고, 전극에서 양의 피드백 시스템 전기장 및 전하들을 형성할 수 있다.
밸러스트의 부재는 적정한 충돌 이온화 이득 제어를 위해 종래의 형광 램프들보다 더 짧은 전극들 사이의 갭을 요구할 수 있다. 통상적으로, 갭이 1기압에서 100 μm 미만인 경우에 균일한 방전이 가능하다. 형광 램프 튜브에서의 통상적인 압력은 기압의 0.3%이다. 따라서, 이것은 30cm의 최대 갭으로 환산될 수 있다. 전극들 사이의 갭의 주어진 제한에 대해, 적정한 광 방출을 위해서는 넓은 영역 전극들이 필요할 수 있다.
넓은 영역 램프들은 백열 전구들 또는 LED들과 같은 집속형 포인트 소스 조명 시스템들의 결과인 강한 광 방출로부터 눈들을 보호하는 데 유용하다. 본 발명의 일 실시예에서, 넓은 영역의 에너지 효율적인 형광 램프가 도 16에 설명된다. 도 16의 도면들은 넓은 영역의 에너지 효율적인 형광 램프의 측면도이다. 전극 조립체는 전극들(161)의 시트들, 절연체들(162)의 시트들 및 코팅(163)의 시트들로 이루어진다. 이 경우, 전극들(161), 절연체(162) 및 이차 방출 코팅(163) 모두는 UV 투명 재료들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전극(161)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 알루미늄 도핑 아연 산화물(AZO)과 같은 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다. 절연체(162)는 폴리이미드, PET, 유리 또는 석영으로 이루어질 수 있다. 이차 방출 코팅 층은 예를 들어 MgO 또는 GaP일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 밸러스트가 없는 형광 램프를 가능하게 한다. 밸러스트-프리 형광 램프의 실시예가 도 17에 설명된다. 밸러스트-프리 형광 램프는 종래의 형광 램프와 유사하지만, 전극(171)이 금속 대신에 전기 저항성 재료 또는 반도체 재료들로 이루어진다. 주어진 방전 갭, 가스, 압력 및 전압에 대해, 너무 강한 스트리머들 또는 방전 전류를 억제하기 위해 전극(171) 재료의 적절한 전도도 또는 저항률이 선택될 수 있다. 이것은 현재의 형광 램프의 고가 컴포넌트 중 하나를 제거한다. 전극(171)의 재료들은 실리콘, Al2O3:TiO2 -x 혼합물, SiC, 게르마늄, 갈륨 화합물, 폴리머 반도체들, 또는 이온 전도성 에이전트들을 갖는 폴리머일 수 있으며, 그의 전도도는 최상의 결과들을 제공하도록 조절될 수 있다.
오존 생성기
본 발명의 다른 실시예는 방전 시스템을 손상시킬 수 있는 아크 발생이 없는 에너지 효율적인 오존 생성기이다. 산소(O2)는 코팅된 이중 유전체 장벽 방전(CDDBD) 시스템 내로 도입되고, CDDBD 내에서 플라즈마를 통해 오존(O3)으로 변환된다. CDDBD 시스템을 사용하는 에너지 효율적 오존 생성기의 실시예가 도 18에 도시되어 있다. 각각의 전극(181)은 절연 재료(182)로 완전히 둘러싸인 전극으로 구성된다. 각각의 절연체 상부에는, 높은 이차 방출 계수를 갖는 재료, 이를테면 Ni, W, Mo, BeO, MgO, GaP, GaAsP, Si, PbO, 알칼리 안티몬화물뿐만 아니라 높은 이차 방출 계수를 갖는 다른 재료들로 코팅(183)이 도포된다. 충분히 높은 AC 전압(31)이 2개의 전극들(181) 사이에 인가되면, 전기장은 공기 중에서 충분히 높아지며, 공기는 ~3 - 10V/μm에서 파괴되기 시작한다. O3, NO, NO2, NO(H2O)n , NO2(H2O)n 등을 포함하는 많은 상이한 가스 분자가 생성될 것이다. 산소 탱크(도시되지 않음)로부터 산소(184)를 흐르게 함으로써 산소(184)만이 존재하는 경우, 오존(185)만이 생성될 것이다. 절연체(182)가 있기 때문에, 어떠한 전하도 전원으로부터 가스 영역(186)으로 통과하지 못하는데, 즉 CDDBD 시스템은 용량성 부하이다. 따라서, 전원(31)에서의 원하지 않는 전력 손실 이외에 전력 소비가 없다. CDDBD 시스템(187)은 또한 전도성인 공기를 갖는 2개의 커패시턴스 시스템들로 확인될 수 있다. 그러나, 공기 전도는 콜드 프로세스(충돌 이온화 또는 콜드 플라즈마)이며, 열 소모가 없다. 따라서, 전체 CDDBD 시스템(187)은 전원 회로 내의 저항기에 의한 임의의 다른 원하지 않는 열 소모 이외에 어떠한 전력 소비도 갖지 않는다. 전원의 최소 전력 소비 설계(예를 들어, 전력 라인으로부터의 직접 스텝-업 변압기)에 의해, 전력 소비는 전력 변압기에서만 있도록 최소화될 수 있다. 이러한 시스템은 에너지 효율적 오존 생성기이다.
절연체(182) 내부에 매립된 전극 재료(181)는 반도체를 포함하는 다양한 전도도를 갖는 재료일 수 있다. 반도체 재료들은 실리콘, Al2O3:TiO2 -x 혼합물, SiC, 게르마늄, 갈륨 화합물, 폴리머 반도체들, 또는 이온 전도성 에이전트들을 갖는 폴리머를 포함한다. 이러한 재료의 전도도는 충돌 이온화 프로세스에서의 이득을 제한하고, 따라서, 스트리머의 이득을 제어한다. 이득의 제어는 CDDBD 시스템을 손상시킬 수 있는 아크 발생을 억제할 수 있다. 충돌 이온화 이득은 또한 공기 갭의 함수이므로, 매우 효율적인 오존 생성이 그러나 아크 발생 없이 달성되도록 전극 재료의 전도도가 갭에 따라 변할 수 있다.
에너지 효율적 오존 생성기의 다른 실시예가 도 19에 도시되어 있다. 이 실시예는 도 18의 실시예의 탠덤형 확장이며, 이는 전극 조립체들(191) 사이의 공기 갭들(192)과 함께 코어 전극, 절연체 및 코팅으로 이루어진 평면형 전극 조립체(191)의 어레이를 포함한다. 각각의 전극(191)은 교대 극성을 갖는 전원에 접속되어, 각각의 가스 갭(192)은 인가된 전압들로부터의 전기장, 따라서 파셴 방전을 갖는다. 산소(193)가 전극 조립체(191)의 시트들의 어레이의 측면으로 공급되고, 오존(194)이 다른 단부에서 나간다.
위의 설명은 제한이 아니라 예시적인 것으로 의도된 것임이 이해되어야 한다. 위의 설명을 읽고 이해하는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 많은 다른 실시예들이 명백할 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은, 위에서 논의된 실시예들 중 임의의 것이 특정 구현들, 설계 고려사항들, 목표들 등에 따라 다양한 목적들을 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 범위는 첨부된 청구항들 그리고 그러한 청구항들이 권리를 갖는 균등물들의 전체 범위를 함께 참조하여 결정되어야 한다.
위의 설명은, 설명을 위해, 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 위의 예시적인 논의들은 포괄적이거나, 설명된 실시예들을 개시된 정확한 형태들로 제한하도록 의도되지 않는다. 위의 교시들에 비추어 많은 수정들과 변형들이 가능하다. 실시예들은 다양한 실시예들의 원리들 및 실제 응용들을 가장 잘 설명함으로써 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 다른 자들이 고려되는 특정 용도에 적합할 수 있는 다양한 수정들로 다양한 실시예들을 가장 잘 이용할 수 있게 하도록 선택되고 설명되었다.

Claims (14)

  1. 플라즈마의 생성 및 사용을 위한 시스템으로서,
    방전 디바이스, 및
    상기 방전 디바이스와 결합되고, 상기 방전 디바이스에 에너지를 공급하여 초기 전기장을 형성하는 전원
    을 포함하고,
    상기 방전 디바이스는 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들을 포함하고, 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들 각각은 복수의 홀(hole)들 또는 간격(spacing)들을 포함하고, 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들은 가스 매질로 채워진 갭에 의해 분리되고, 상기 초기 전기장은 상기 복수의 홀들 또는 간격들을 통해 각각의 전극 조립체 너머로 연장되고,
    상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들 각각은, 전하들이 상기 가스 매질을 통과하는 것을 방지하는 절연체로 커버된 전극을 포함하고, 상기 절연체의 표면은 상기 절연체의 재료보다 높은 이차 전자 방출 계수를 갖는 재료로 코팅되며,
    상기 방전 디바이스를 통과하는 우주선(cosmic ray)들로부터 생성되는 전하는, 상기 초기 전기장을 형성하기 위해 사용되는 에너지 이외에 상기 전원에 의해 공급되는 에너지를 사용하지 않고, 상기 우주선들이 상기 방전 디바이스를 통과할 때 상기 가스 매질 내의 가스 분자들의 충돌 이온화에 의해 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들 사이의 갭 내에서 증배되고,
    상기 시스템은 상기 방전 디바이스 외부의 하나 이상의 전하 포획 전극을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 전하 포획 전극은, 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들의 상기 홀들 또는 간격들을 통해 추출되는 탈출 전하들을 포획하여, 상기 탈출 전하들로부터 전류를 공급하도록 구성되는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들 각각은 평면형 전극을 포함하고,
    상기 홀들 또는 간격들은, 상기 평면형 전극 내에 제공되는 홀들의 어레이를 포함하는,
    시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들 각각은 평면에 배열된 와이어들의 어레이를 포함하고, 각각의 와이어는 중심에 전극을 포함하고,
    각각의 전극 조립체의 상기 홀들 또는 간격들은, 상기 어레이에서 와이어들 사이의 간격들을 포함하는,
    시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 1017 Ω·cm보다 높은 전기 저항률 및 15MV/m보다 높은 유전 강도를 갖는 전기 절연 재료를 포함하는,
    시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전기 절연 재료는 석영, 자기, 유리, 폴리이미드, 테플론 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 하나인,
    시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전원은, 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들에 전기적으로 연결되고, 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들 사이의 갭 내에 플라즈마가 생성될 수 있도록 파셴(Paschen) 파괴 전압보다 높은 전압을 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들에 공급하도록 구성된 교류(AC) 전원을 포함하고,
    상기 방전 디바이스는 용량성 시스템인,
    시스템.
  7. 플라즈마의 생성 및 사용을 위한 시스템으로서,
    코팅된 이중 유전체 장벽 방전(CDDBD: coated double dielectric barrier discharge) 디바이스 ― 상기 CDDBD 디바이스는 우주선들이 상기 CDDBD 디바이스를 통과할 때 전하들을 생성함 ―,
    상기 CDDBD 디바이스와 결합되고, 상기 CDDBD 디바이스에 에너지를 공급하여 초기 전기장을 형성하는 전원
    을 포함하고,
    상기 CDDBD 디바이스는 가스 매질로 채워진 갭에 의해 분리되는 적어도 2개의 전극들을 포함하고, 상기 적어도 2개의 전극들 각각은 상기 적어도 2개의 전극들 내의 전하들이 상기 가스 매질을 통과하는 것을 방지하는 절연체로 커버되고, 상기 절연체의 표면은 상기 절연체의 재료보다 높은 이차 전자 방출 계수를 갖는 재료로 코팅되며,
    초기 전기장 에너지 이외에 상기 전원에 의해 공급되는 에너지를 사용하지 않고, 상기 가스 매질 내의 가스 분자들의 충돌 이온화에 의해 상기 CDDBD 디바이스의 갭 내에서 상기 우주선들이 상기 CDDBD 디바이스를 통과할 때 생성되는 전하가 증배되고,
    상기 CDDBD 디바이스는 전기 절연 재료로 이루어진 중공 튜브를 포함하고, 상기 중공 튜브는 상기 중공 튜브의 말단부들에서 개구들을 갖고, 상기 중공 튜브의 내부 공간은 상기 가스 매질로 채워지고, 상기 중공 튜브는 상기 중공 튜브를 따라 축방향으로 분리되면서 상기 중공 튜브의 외부에 코팅되어 상기 중공 튜브 내에 전기장을 생성하는 상기 적어도 2개의 전극들을 포함하고, 상기 중공 튜브의 내부 표면은 상기 절연체의 재료보다 높은 이차 전자 방출 계수를 갖는 재료로 코팅되고,
    상기 전원은 상기 중공 튜브의 적어도 2개의 전극들에 공급되는 전압을 조절하는 교류(AC) 전원을 포함하고, 공급되는 전압은 파셴 파괴 전압보다 높고,
    상기 중공 튜브는 상기 중공 튜브 내에 생성되는 전하들이 상기 중공 튜브로부터 축출되어 전하의 제트를 형성하는 플라즈마의 제트를 형성하고,
    우주선들이 상기 중공 튜브를 통과할 때 상기 중공 튜브 내의 가스 분자들의 이온화에 의해 플라즈마가 생성되고, 상기 전원에 의해 공급되는 전압이 상기 파셴 파괴 전압보다 높아서 상기 중공 튜브의 상기 축방향에서 전기장을 생성할 때 충돌 이온화 프로세스에 의해 전하들이 증배되고,
    상기 중공 튜브는 용량성 시스템이고, 상기 AC 전원은 상기 플라즈마의 제트를 형성하기 위해 에너지를 상기 중공 튜브에 전달하지 않고,
    상기 시스템은, 전하가 축출되고 있는 상기 중공 튜브의 단부와 2개 이상의 전극들 중 하나의 전극 사이에서 상기 중공 튜브의 상기 외부에 코팅된 제3 다운스트림 전극을 더 포함하고, 상기 제3 다운스트림 전극은 상기 2개 이상의 전극들 중 상기 제3 다운스트림 전극에 가장 가까운 하나의 전극에 대해 일정한 상이한 전위로 바이어스되고, 상기 제3 다운스트림 전극과 상기 2개 이상의 전극들 중 상기 하나의 전극 사이의 전기장은 상기 중공 튜브로부터의 전하 출력을 증대시키기 위해 상기 축방향으로 상기 제트 내의 전하들에 대해 쿨롱 힘들을 인가하는,
    시스템.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극들은 금속 전극들인,
    시스템.
  9. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극들은 반도체 재료로 형성되는,
    시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전원은, 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들에 전기적으로 연결되고, 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들 사이의 갭 내에 플라즈마가 생성될 수 있도록 파셴(Paschen) 파괴 전압보다 높은 전압을 상기 적어도 2개의 평면형 전극 조립체들에 공급하도록 구성된 직류(DC) 전원을 포함하는,
    시스템.
  11. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 방전 디바이스 또는 상기 CDDBD 디바이스는 전기 디바이스와 결합될 때 상기 전기 디바이스에 전류를 공급하는 전원이 되는,
    시스템.
  12. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 가스 매질을 갖는 투명한 외함(enclosure)을 더 포함하고, 상기 방전 디바이스 또는 상기 CDDBD 디바이스는 상기 투명한 외함 내에 들어있고, 상기 충돌 이온화 동안에 광자(photon)들이 방출되는,
    시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스 매질은, 아르곤, 제논, 네온 및 크립톤 중 하나 이상과 혼합된 저압 수은 증기를 포함하고,
    상기 투명한 외함의 내부 표면은 UV-가시광 변환을 위한 형광 물질로 코팅된,
    시스템.
  14. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 절연체보다 높은 이차 전자 방출 계수를 갖는 절연 재료를 코팅하는 재료는 Ni, W, Mo, BeO, MgO, GaP, GaAsP, Si, PbO 또는 알칼리 안티몬화물 중 하나인,
    시스템.
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