TW200903558A - Contoured electrodes for an electrostatic gas pump - Google Patents

Description

200903558 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於靜電氣體泵浦，更具體地，係關於用於 在一靜電泵浦中產生較大氣體流量率之方法及設備。 【先前技術】 一靜電氣體泵浦由一或多個尖銳（電暈）及鈍（中和）電 極構成。一電場施加於兩電極間*導致氣體在接近尖銳電 極處部分崩潰，此稱為電暈放電（corona discharge)。放 電產生離子，而離子則被吸引至中和電極。在途中，離子 與中性氣體分子碰撞，產生類似於由機械風扇所產生之壓 力水頭（pressure head)及流。 2006年1月23日提出之發明名稱為「電流體動力式 (E1 e c t r 〇 - h y d r 〇 d y n a m i c )氣體流冷卻系統」之美國專利申 請案第1 1 /3 3 8，6 1 7,號，其全文併入於此以供參照，其顯著 地提升目前的靜電氣體泵浦之進步水準。不過，本發明者 認定仍有改進空間。舉例來說，在使用電暈電極之先前技 術的泵浦中（包含上述之同時另案在審之專利申請案中所 述的該些泵浦），鈍電極通常為一平坦或實際上平坦之表 面。平坦表面之電極與電暈電極並非等距離。因此，其無 法在電暈電極處提供額外的場增強，且必須使用較高電壓 以得到與輪廓電極相同的離子電流。平坦電極無法限制離 子化之區域，所以其將於較低電壓下成弧並具有較小的抽 泵功率。最後，平坦電極無法隔離鄰近的電極。此使得電 5 200903558 極間之更大間隔成為必須，並再次降低總離子電流及 功率。 其他先前，方法未能發現、體察、及/或試圖 由本發明者所察覺之問題。舉例來說，2〇〇5年$月3 告之發明；g稱為「靜電流體加速器」之美國專 6’888’314號敘述藉由將線型電暈電極放置在平板純 中間來隔離該些電晕電極。此專利並未建議將純電極 化以增強電軍電極處之電場。再者’電晕線及板電極 行設置。板間隔係由電性考量來決定。此專利並未建 未能實施電暈線垂直於鈍電極設置一/ Λ拖例《這妨 發明之任何實施例針對流、熱傳遞等進行最佳化。 因此’在此技術中’仍有對可應付除了別的問題 由本發明者發現之問題之靜電氣體泵浦之需要。 【發明内容】 本發明透過具有尖銳及鈍電極之一靜電果 中間之氣體間隙中發生之電暈放電來實現高氣體产量 據某些實施態樣，本發明包含一特別成形之 輪廓化以在尖銳（電暈）電極及鈍電極之中和表，其 固疋或近乎固疋之距離。該輪廓在電暈電極處提 增強，並在鈍電極處使電場最小化。此舉使得“ 最大化並增加電暈放電之最大功率輪出。該輪麻：Μ 的電晕電極，防止其電場互相干涉並使增心極密 行’其進一步增加裝置之抽泵功率。 度片 抽泵 解決 曰公 利第 電極 輪廓 係平 議也 礙此 外， 電極 :。拫 係經 保持 電場 電壓 鄰近 為可 6 200903558 【實施方式】 本發明現將參照圖式詳細敌述，圖式係提供作為本發 明之說明範例以致那些熟悉此技術者能實行本發明。明顯 地，下文之圖及範例並非意欲使本發明之範圍受限於單一 實施例，而是經由交換所述或所說明之某些或全部元件使 其他實施例成為可行。此外，在本發明之某些實施例可部 分或全部使用已知組件實施之處，將僅敘述這類已知組件 那些對本發明之了解所必須之部分，而這類已知組件之其 他部分之詳細敘述將省略以免與本發明混淆。在本專利說 明書中，顯示單數個組件之一實施例不應將其視為限制； 更甚者，本發明係意指包含其他包括複數個相同組件之實 施例，且反之亦然，除非於此以其他方式明白陳述者除外。 此外，申請人的本意並非使本說明書或申請專利範圍中之 任何名詞歸屬於罕見或特殊的意義，除非就其本身明白提 出者除外。再者，本發明包含經由說明於此處參照之已知 組件之當前及未來已知之等同物。 根據某些通用的實施態樣，本發明使用一特別成形之 鈍電極，其主要表面之實質部分係位於離電暈電極為固定 或接近固定的距離處。典型地，主要表面包含最接近電暈 電極之表面，且此表面為鈍電極之大多數電場線發源或終 止（依極性而定）之部分。 第1 A及1 B圖說明本發明之某些實施態樣，其中一靜 電泵浦具有鈍電極1 02及電暈電極1 04。鈍電極1 02具有 7 200903558 面向電暈電極 104之經輪廓化（contoured)的中和表面 1 0 6，而非如先前技術中具有平坦形狀。 更具體地，如沿著第1 A圖之斷面線1 B -1 B所得之第 1B圖所示，鈍電極102面對電暈電極104之表面106係經 輪廓化以致介於電暈電極1 0 4上之一給定點與直接位於該 點下方之鈍電極102之表面106上之所有點間之距離d實 質上相同。因此，如第1A圖所示，對電暈電極104之一 給定長度來說，鈍電極102之中和表面106之輪廓類似於 中空部分圓筒之内側之一部分，該部分圓筒具有與給定長 度對應之一高度。 當d本質上在表面106上之所有點與電暈電極104上 之一給定點間為相同時，第1 A圖之角度0可因此視為以 電暈電極104作為中心定義一弧之尺寸。理論上，角度0 可為任何大於0°並高達360°之值。一般說來，本發明者注 意到在電暈電極處之電場增強會隨著0增加而增加。由輪 廓化之鈍電極提供之介於鄰近的電暈電極（未顯示）間之隔 離亦隨著0增加而增加。不過，本發明者進一步發現隨著 0增加超過1 80°，某些離子開始往上游方向受到吸引，並 對氣體流施加不利的效應。因此，增加β的正面效應（增 加離子電流、及較佳隔離）較佳與負面效應相權衡以針對 特定應用達到適當幾何。 在本發明之原理的靜電氣體泵浦之範例實施方式中， 本發明者發現須對通過裝置之靜電空氣流之路徑作出考 慮。舉例來說，需設置通過純電極之通道以保持通用的輪 8 200903558 廓形狀。 第2圖說明根據本發明之實施態樣的靜電氣體泵浦之 一範例實施例。在此範例中，聚浦200使用一系列垂直於 電暈電極204設置之平行鈍電極片202。如同可見，各電 極片202具有面向各電暈電極之輪廓化的中和表面，如上 文參照第1 A及1 B圖所述。鈍電極片2 0 2間之間隔界定出 通道2 0 6，且其總配置在電極間提供一多重平行之靜電放 電陣列。通道206進一步允許氣體由於靜電抽泵作用而有 效地以圖中之大箭頭所示之方向流過裝置。此實施例亦顯 示實施電暈電極2 0 4之電暈線之一陣列。 第3圖說明根據本發明之靜電氣體泵浦之另一範例實 施例。在此範例中，泵浦3 0 0包含平行於電暈電極3 0 4之 方向的壁308，其界定用於使氣體在鈍電極片302中間且 進一步在其各自的輪廓化之中和表面間流動之個別通道 306。壁308進一步幫助保持電暈電極之所有部分（尤其在 輪廓化之電極片間的區域）上之高電場濃度。壁3 0 8亦幫 助減少鈍電極處之電場，並提供鄰近的電暈電極304間之 額外的電隔離。 該些熟悉此技術者可由同時另案在審之專利申請案第 1 1 /3 3 8,6 1 7號推知實施方式之細節，例如，適當的材料、 尺寸、及施加至電暈及/或鈍電極以便獲得所需的靜電氣體 抽泵作用之電壓。舉例來說，上述的電暈電極可由一細線 構成，而純電極可由例如銘之散熱片材料構成。在使用電 暈風（coronawind)作為靜電氣體抽泵機構之一範例實施 9 200903558 方式中，電暈電極及鈍電極表面間之距離d (亦即，電極間 隙）約為3 0 m m，電暈電極線具有約0.5 m m之直徑，施加 至電極之電壓約為20 kV，且鈍電極片具有約1 mm之厚 度。在一微尺度電暈風之範例中，距離d約為2mm，電暈 電極線具有約2微米之直徑，電壓約1500V，且鈍電極片 具有約0.2 mm之厚度，並為近乎半圓筒之輪廓（亦即，0 約為1 8 0度）。

在某些實施例中，本發明者已確認必須使電極間隙儘 可能小。舉例來說，本發明者已證實具有由 0.5至3 mm 之間隙的靜電空氣泵浦及由1 2 0 0至5 0 0 0 V之電壓。最後， 間隙可降低至1 〇 0 μ m，偕同數百伏特之操作電壓，同時 仍保持與較大間隙類似之抽泵輸出。電暈線間隔（例如，平 行電暈電極204及304之分隔）近乎等於氣體間隙之兩倍。 隨著間隙縮小，線間隔亦可縮小。 須注意本發明可以許多不同方式並以與上述範例所述 之不同配置實行。舉例來說，雖然圓形電暈線可和第1〜3 圖之鈍電極實施例合用，其他的電暈電極配置類型與根據 本發明之鈍電極合用亦為可行。 舉例來說，第4A、4B、及4C圖顯示可如第1圖單數 個使用或如第2及3圖以線性陣列使用之不同棱柱形電暈 電極之橫剖面。第4A及4B圖分別顯示可用於實施電暈電 極之一線之橢圓形（例如，圓形）及長方形（例如，正方形） 之橫剖面。第4C圖顯示用於實施電暈電極之突出形狀的 刀刃或剃刀片橫剖面，而非一線。當明白其他形狀是為可 10 200903558 行，例如，六角形。 第 5圖顯示一點型（point-type)電暈電極陣列 置，其中電暈電極係以具有複數個由其突出之尖銳點 之支撐構件5 02實施。注意在第5圖之配置實例、或 一部分電極產生電暈之其他類型的電極中，輪廓化之 極較佳地必須與尖銳電極之電暈區域（而不需是電極 有部份）保持固定或接近固定之距離。 包含複數個個別的點型電暈電極之另一可行的實 顯示於第6圖。如第6圖所示，靜電氣體泵浦600包 扉化之鈍電極602，而純電極602係以四片為一組之 配置，而此四片鈍電極602 —起則類似於面對個別的 電極604之中空球面之内側部分。雖然與第2及3圖 浦配置及佈局不同，操作概念係與早先敘述之線型電 同。鈍電極602之輪廓化表面與點型電暈電極6 04之 產生區域保持固定或接近固定之距離，只是鈍電極之 靡為球面而非如第1-3圖之圓筒狀。 本發明者察覺到此處所述之輪廓化電極憑藉其幾 在電暈電極處產生最大電場增強。高電場增強給予此 許多有利的屬性。首先，對給定的氣體間隙及電暈電 寸來說，其導致較低的導通電壓。第二，由於氣體僅 電場處崩潰，高電場增強限制離子化區域使之接近電 極。隨著電壓增加，此致使電暈放電變換為弧更為困 因此，電壓操作範圍更大。隨著電壓增加之成弧延遲 致來自一給定的電暈電極之更高的離子密度。由於抽 之配 504 僅有 鈍電 的所 施例 含輪 方式 電暈 之泵 極相 電暈 總輪 何而 發明 極尺 在南 暈電 難。 亦導 泵功 11 200903558 率係與離子電流乘上電壓成比例，此增加了裝置之抽泵功 率。 輪廓化電極之一第二主要優點為介於電暈電極及輪廓 化電極間之電場線較佳地限制在電極中間之區域。來自鄰 近電極之電場線不會互相干涉。電暈電極可更接近地放置 在一起，而仍具有產生高品質電暈放電及氣體流所必須之 高電場增強。較高的電極密度導致一給定面積中較大的離 子電流，並導致較大的氣體流量率。 輪廓化電極尚有另一優點為，藉由具有複數個電暈電 極之泵浦（舉例來說，如第2圖及3顯示者），則介於鈍電 極片間之間隔在離子電流及抽泵功率上具有非常小的效 應。此給予設計者設定間隔之自由，以致其最佳化其他參 數，例如，流量率、熱傳遞及諸如此類者 。 雖然本發明已具體參照其較佳實施例敘述，對那些在 此技術中具有一般技能者來說，當可立即明白形式及細節 之變化與修改可在不偏離本發明之精神及範圍之情況下達 成。預期附加的申請專利範圍包含這類變化及修改。 【圖式簡單說明】 對於在此技術領域中具有通常知識者來說，一經檢閱 下上文之本發明的特定實施例之敌述連同伴隨之圖式，本 發明之這些及其他實施態樣及特性將變得更為明顯，其中： 第1 A及1 B圖繪示根據本發明之實施態樣，與線型尖 銳電極.併用之輪扉化純電極， 12 200903558 第2及3圖繪示使用例如第1圖所示之輪廓化鈍電極 之靜電泵浦之可行的實施例； 第4 A至4 C圖顯示根據本發明之實施態樣，可與輪廓 化鈍電極共同使用之電暈電極的突出型橫剖面之範例； 第5圖繪示可用於本發明之實施例中之具有突出點型 電極之電暈電極之配置；及

第6圖繪示根據本發明之其他可行的實施例，具有複 數個分別與複數個似點型的電暈電極配對之輪廓化鈍電極 之靜電泵浦。 【主要元件符號說明】 102 鈍電極 104 電暈電極 10 6 表面 200 泵浦 202 (鈍）電極片 204 電暈電極 206 通道 3 00 泵浦 3 0 2 純電極片 304 電暈電極 306 通道 308 壁 502 支撐構件 13 200903558 504 尖 600 靜 602 鈍 銳點 電氣體泵浦 電極 604 電暈電極

Claims (1)

1. 200903558 十、申請專利範圍： 1. 一種設備，其包含： 一電暈電極（corona electrode);及 一鈍電極（blunt electrode)，其與該電暈電 體間隙而分隔開； 其中該鈍電極具有面對該電暈電極之一中和 - 該中和表面係經輪廓化（c ο n t 〇 u r e d )以使得介於 極上之一點與直接位於該點下方之該中和表面的 I 間的個別距離為實質恆定。 2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該中 經過輪磨化以隶大化該電軍電極處之·-電場增強 field enhancement)，並增加發生在該氣體間隙中 放電的一最大功率輸出。 , 3.如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該中 1/ 一給定長度面對該電暈電極，且該中和表面之輪 一部分中空之圓筒，該圓筒具有對應於該給定長 度，及對應於該實質恆定距離之一半徑。 4.如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該鈍 複數個片（fin )，各個該些片具有一中和表面， 表面以一個別給定之長度面對該電暈電極，該中 極以一氣 表面，且 該電暈電 所有點之 和表面更 (electric 之一電暈 和表面以 廊界定出 度之_ ~~ rsj 電極包含 且該中和 和表面之 15 200903558 輪廓界定出一部分中空之圓筒，該圓筒具有對應於該個別 給定之長度的一高度，及對應於該實質恆定距離之一半徑。 5 .如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該電暈電極係 由自一支撐構件突出之一點構成，且其中該鈍電極包含複 數個片，各個該些片具有一面對該點之中和表面，該中和 表面之輪廓界定出一部分中空之圓筒，該圓筒具有對應於 該實質恆定距離之一半徑，且其中該些片之輪廓共同界定 出具有該半徑之一部分球形。 6.如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該電暈電極係 由自一支撐構件突出之複數個點構成，且其中該鈍電極包 含複數個片，各個該些片具有一面對該些點之個別一個的 中和表面，該中和表面之輪廓界定出一部分中空之圓筒， 該圓筒具有對應於該實質恆定距離之一半徑。

   7. —種靜電氣體泵浦設備，其包含： 複數個電暈電極；及 複數個鈍電極片， 其中各個該些純電極片具有面對部分該些電軍電極之 一中和表面，該中和表面係經輪麼化，以使得介於該電暈 電極上之一點與直接位於該點下方之該中和表面的所有點 之間的個別距離為實質恆定。 16 200903558 8. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該中和表面以 一給定長度面對該電暈電極，且該中和表面之輪廓界定出 一部分中空之圓筒，該圓筒具有對應於該給定長度之一高 度，及對應於該實質恆定距離之一半徑。 9. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中各個該些片之 該中和表面以一個別的給定長度面對該些電暈電極之個別 一個，該中和表面之輪廓界定出一部分中空之圓筒，該圓 筒具有對應於該個別給定之長度的一高度，及對應於該實 質恆定距離之一半徑，且該高度對應於該些片之一厚度。 1 0.如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該些電暈電極 係經配置而實質為彼此平行，並由一電暈電極間隔而分隔 開。

   1 1 .如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該些電暈電極 係經配置而實質為彼此平行，並由一電暈電極間隔而分隔 開，且該些片係經配置而實質為彼此平行，且實質垂直於 該些電暈電極，並由一片間隔而分隔開。 1 2.如申請專利範圍第1 1項所述之設備，其中介於該些片 之間的該片間隔係界定出用於供由該些電極之間的一靜電 17 200903558 放電所導致之氣體流動的對應通道。 1 3 .如申請專利範圍第 1 1項所述之設備，更包含複 壁，該些壁係經配置而平行於該些電暈電極，並且連 些鈍電極片，各個該些壁係分隔位於各個該些片中之 應且鄰接的中和表面對（pair)。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述之設備，其中該些片 的該片間隔以及該鄰接的中和表面對之間的該些壁係 出用於供由該些電極之間的一靜電放電所導致之氣體 的對應通道。 1 5.如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該中和表 經輪廓化藉以隔離鄰近的該些電暈電極，防止該些電 極之電場互相干涉，從而增加該靜電氣體泵浦設備之 數個 接該 一相 之間 界定 流動 面係 暈電 抽泵

   1 6. —種靜電泵浦設備，其包含： 一電暈放電區域陣列，其中各個該些放電區域包 鈍電極之一經輪廟化的中和表面。 1 7 ·如申請專利範圍第 1 6項所述之設備，其中該陣 含：複數個電暈電極，該些電暈電極係經配置而實質 含一 列包 為彼 18 200903558 此平行；及複數個鈍電極片，該些鈍電極片係經配置 質為彼此平行，且實質垂直該些電暈電極；該些電暈 區域分別位於該些電軍電極及該些純電極片之間的父, 1 8 .如申請專利範圍第1 7項所述之設備，其中位於各 些電軍放電區域中之該中和表面係面對該電軍電極' * 中和表面係經輪廓化以使得在該電暈電極上之一點與 f、 位於該點下方之該中和表面的所有點之間的個別距離 質恆定。 1 9.如申請專利範圍第1 7項所述之設備，其中位於各 些電暈放電區域中之該中和表面係經輪廓化以使得將 該些電暈放電區域與其鄰近的該些電暈放電區域隔離 以防止該些電軍放電區域之電場的彼此干涉，從而增 靜電泵浦設備之抽泵功率。

   2 〇.如申請專利範圍第 1 7項所述之設備，更包含複 壁，該些壁係經配置而平行於該些電暈電極，並連接 鈍電極片，各個該些壁係分隔位於各個該些鈍電極片 一對應且鄰接之中和表面對（pair )。 而實 放電 ft。 個該 且該 直接 為實 個該 各個 ，藉 加該 數個 該些 中之 19