技术领域
[0001] 本
发明的主题涉及一种电
流体力学(也称为电-流体-动力学)技术，该电
流体力学技术采用电晕放电原理来产生离子和
电场以控制流体如空气或其它类型的流体的运动，更具体地说，涉及在离子化空气流动加速器装置中的集
电极结构的
实施例。
背景技术
[0002] 流体的离子运动原理包括使用第一电极(通常称为“电晕电极”或“电晕放电电极”)产生离子，该第一电极使离子朝向第二电极加速，因而在朝向第二电极的方向给予离子动量。 在离子与干涉流体如周围的空气分子之间的碰撞将离子的动量转移到流体，诱导流体作相应的运动以达到沿期望的流体流动方向的整体运动。 第二电极被不同地称为“加速”、“吸引”、“集电”或“目标”电极。 通过放置第一和第二电极的连续阵列，离子不断地被加速并与另外的空气分子碰撞直至离子把它们的电荷丢失到在它们的路径中的空气分子或者集电极。
[0003] 用流体的离子运动原理构成的装置在文献中被不同地称为离子
风机、电晕风
泵、静电空气加速器及
电流体力学
推进器。 在本
申请中，这样的装置称为离子化空气流动加速器。
发明内容
[0004] 集电极结构的不同实施例适合用于使用基于电场-增强离子扩散的电晕离子技术的离子化空气流动加速器。 集电极结构被限制在管道或者管子中以形成能够产生高速轴向气流的电流体力学推进器。
[0005] 在本文中所揭示的离子化空气流动加速器的第一实施例使用电流体力学推进器沿管状结构产生高速空气流动。 离子集电极以基本上同轴地配置的方式包围丝状或带状电极(或离子发射极)，以在离子路径与空气流动路径之间沿轴向方向达到最高程度的对准以使效率最大化。 同轴集电极的对称能够均匀地分配静电场以使
电弧放电最小化及使空气流动速度最大化。
[0006] 在一些应用中，离子化空气流动加速器的结构可以是较小。 因为它没有可动部件，它在操作期间可以是实际上无声的。 简单的设计适合于大规模生产，并可用低成本材料构成。
[0007] 在本文中所描述的离子化空气流动加速器装置可适合用于
电子装置的
散热设计(
对流冷却)。 新式的电子装置比原始的电子装置包含更多
电路和元件，导致新式的电子装置比原始的电子装置产生更多热。 发热元件的例子包括但不限于集成电路(IC)芯片、
存储器芯片以及各种无源器件。 这些元件是电子装置如手机、笔记本型计算器和超移动个人计算器、
个人数字助理装置、台式计算器、
数字光处理器(DLP)以及
液晶显示(LCD)投影机等等的部分，为了使电子装置的操作和性能达到极限，该电子装置可能需要创新的冷却方法。
[0008] 在本发明的至少一个实施例中，电流体力学流体加速器装置包括电晕电极，该电晕电极具有轴形且被配置成接收第一
电压。 该电流体力学流体加速器装置包括集电极，该集电极在至少一个电晕电极的周围同轴地配置且被配置成接收第二电压。 分别在电晕电极和集电极上施加第一和第二电压，导致在电晕电极附近的流体离子化并且在电晕电极与集电极之间沿第一方向移动，使其它流体分子沿第二方向移动，因而产生流体流(fluid stream)。 在本发明的至少一个实施例中，在发射电极附近的被离子化的流体沿径向方向从电晕电极移动到集电极，导致其它流体分子沿轴向方向移动，因而产生该流体流。 集电极可包括至少一个圆柱状部分。
[0009] 该电流体力学流体加速器装置可包括第一端结构，该第一端结构设置在集电极的第一端并且包括至少一个孔，该孔被配置成允许流体进入集电极。 该电流体力学流体加速器装置可包括第二端结构，该第二端结构设置在集电极的第二端并且包括至少一个孔。 第一端结构的第一孔可设置在低流体压力区附近以及第二端结构的至少一个孔可设置在高流体压力区附近。第二端结构可具有倾斜轮廓。 该电流体力学流体加速器装置可包括在至少一个电晕电极的周围同轴地配置的壳体，因而在壳体与集电极之间形成外区域。 该壳体可以是在包括该电流体力学流体加速器装置的冷却装置中的散热面。
[0010] 该电流体力学流体加速器装置可包括第一端结构，该第一端结构设置在壳体的第一端并且包括至少一个孔，该孔被配置成允许流体进入集电极。 该电流体力学流体加速器装置可包括第二端结构，该第二端结构设置在壳体的第二端并且包括至少一个孔，该孔被配置成允许流体离开壳体。 该第一端结构的第一孔可设置在低流体压力区附近，以及该第二端结构的至少一个孔可设置在高流体压力区附近。 壳体可在第一
位置具有第一直径，并且在第二位置具有第二直径，该第一直径比该第二直径小，且该第一位置比该第二直径接近进入该壳体的流体输入。 集电极可在第一位置具有第一直径并且在第二位置具有第二直径，该第一直径比该第二直径小，且该第一位置比该第二直径接近进入该集电极的流体输入。 集电极可至少部分地由导电的穿孔结构形成。 电晕电极和集电极可形成该电流体力学流体加速器装置的第一级，且该第一级的一个或多个出口孔与该电流体力学流体加速器装置的至少一个额外的级的一个或多个入口孔相邻。 集电极可以是在包括该电流体力学流体加速器装置的冷却装置中的散热面。 集电极可至少部分地由一系列导电的径向
散热片结构以及固体的导电管状部分形成。 集电极可至少部分地由一系列导电的径向散热片结构以及包括轴向孔的基本上固体的导电管状部分形成。 集电极可至少部分地由一系列导电的径向散热片结构以及包括多个隔开的环状部分的一个多孔(open)导电圆柱状部分形成。该至少一个电晕电极可包括丝状部分。电晕电极可被配置成接收大量电压及集电极被配置成为电接地。 流体流动的方向可与离子流动的方向基本
正交。
[0011] 在本发明的至少一个实施例中，提供了一种方法包括在轴形的电晕电极附近的流体中产生离子。该方法包括沿第一方向在电晕电极与集电极之间产生离子流动。 集电极在电晕电极的周围同轴地配置。 该方法包括基于在第一方向的离子流动在第二方向产生流体流动，因而产生具有第一流动速度的流体流。 产生该离子流动的步骤可包括在电晕电极附近形成低流体压力区。 产生该流体流动的步骤可包括在集电极附近形成高流体压力区。 该高流体压力区可在集电极外面并在集电极与在集电极的周围同轴地配置的壳体之间。
[0012] 该方法可包括通过在与电晕电极和集电极连续地设置的至少一个级中使用至少一个额外的电晕电极和至少一个额外的集电极，来分别将一个或多个流体流动的速度从第一流体流动速度增加到第二流体流动速度，以及将出口压力从第一出口压力增加到第二出口压力。 该方法可包括在包括电晕电极和集电极的装置的出口孔使用具有倾斜轮廓的端结构来增加流体流动的速度，其中该流体流动的速度比使用具有垂直轮廓的端结构的流体流动高。 该方法可包括使用在集电极的周围同轴地配置的至少一个壳体来增加流体流动速度，该壳体具有非恒定的直径，其中该流体流动的速度比使用具有恒定的直径的壳体的流体流动高。 该集电极可具有非恒定的直径。该方法可包括使用一个或多个具有相应阻抗的电晕电极部分来增加在电晕电极上的点与在集电极上的相应点之间的电场的均匀性以沿电晕电极的长度产生电流变化。
附图说明
[0013] 通过结合附图说明，可对本发明有较好的理解，且本发明的多个目的、特征和优点对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0014] 从阅读以下多个说明性实施例的描述并结合附图说明，可对本文所描述的集电极结构及其制造方法有最好的理解，其中在所有附图中，相同或相似的部分由相同的附图标号表示。 附图不一定要按规定比例；应把重点放在由所描述的实施例揭示的结构和制造原理。 附图包括：
[0015] 图1是第一实施例中的离子化空气流动加速器的三维透视图，图中示出了集电极结构的第一实施例；
[0016] 图2是图1的离子化空气流动加速器的侧视图；
[0017] 图3是图1的离子化空气流动加速器的截面视图，图中示出了径向向外的空气运动；
[0018] 图4是用于图1的离子化空气流动加速器的集电极结构的第二实施例的三维透视图；
[0019] 图5是用于图1的离子化空气流动加速器的集电极结构的第三实施例的三维透视图；
[0020] 图6是用于图1的离子化空气流动加速器的集电极结构的第四实施例的三维透视图；
[0021] 图7是与本发明至少一个实施例一致的流体加速器的侧视图；
[0022] 图8是与本发明至少一个实施例一致的包括扩张的壳体的流体加速器的侧视图；
[0023] 图9是与本发明至少一个实施例一致的包括扩张的集电极结构的流体加速器的侧视图；
[0024] 图10是与本发明至少一个实施例一致的包括流动调节结构的流体加速器的侧视图；
[0025] 图11是与本发明至少一个实施例一致的包括流动调节结构的流体加速器的侧视图；
[0026] 图12是与本发明至少一个实施例一致的包括流动调节结构的多级流体加速器的侧视图；以及
[0027] 图13是与本发明至少一个实施例一致的包括流动调节结构的多级流体加速器的侧视图。
[0028] 在不同的附图中使用的相同附图标号表示了相似或同一项目。
具体实施方式
[0029] 图1示出了离子化空气流动加速器装置100的第一实施例的三维透视图，该离子化空气流动加速器装置具有圆柱状壳体110，在以下称为外管(outer tube)110。图2是离子化空气流动加速器装置100的侧视图。 为了显示离子化空气流动加速器100的其它结构，在图1和图2中所示的外管110由透明材料制成，但应当理解的是，外管110无需是透明的。 端盖140设置在外管110的一个端并包括让第一电导体114通过的孔144(如图2所示)。 孔144基本延伸通过圆柱状壳体110的中央部分的整个长度。 端盖140还包括让第二导体通过的孔142，其在图1和图2中未示。端盖140进一步包括一个或多个允许空气进入离子化空气流动加速器装置100的内部的孔146。端盖150设置在外管110的另一个端并可包括一个或多个孔，在图1中未示，可通过该一个或多个孔把空气排出。
[0030] 继续如图1和图2所示，经由孔144通过圆柱状壳体110的第一电导体114可以是用作电晕电极的导电丝或带。 在本文中第一电导体114也可称为发射极或者发射丝。发射丝114的直径通常小于0.15mm并被通常为1-5kV的基本正电压充电。发射丝114被集电极结构包围。在至少一个实施例中，集电极结构为穿孔的管状导电结构。在至少一个实施例中，集电极结构(例如，集电极结构120)采用接地的圆柱状导电金属网结构。
[0031] 集电极结构120以基本同轴配置的方式包围发射极。通过孔142而进入外管110的内部的第二电导体用作与集电极结构120连接的电导体。 虽然第一和第二电导体可被称为丝，应当理解的是第一和第二电导体两者都不需具有任何特定的形状。 图1没有示出电压电源。基本同轴的集电极结构120的对称可导致在发射极114周围分配基本均匀的静电场强，这可使电流体力学推力(空气运动)达到最大程度。 在图1和图2的实施例中的集电极结构120是多孔的，以允许空气自由地通过该结构。优选地，集电极结构120没有尖的外部点或边，该尖的外部点或边可引起称为反电晕或飞弧(spark over)现象，该现象可减小推力。
[0032] 图3是离子化空气流动加速器装置100的截面的示意图，图中示出了在外管110的内部中的离子空气流动。 在操作中，离子化空气流动加速器装置100在外管110的内部中沿箭头112的方向(见图1)产生高速空气流动。 空气通过端盖142中的孔146进入外管110。当把正电压施加到设置在圆柱状壳体110的中央部分的发射极114时，在发射丝114附近的空气被离子化。带正电的离子302被吸引到集电极结构120上，因而带正电的离子302直接从设于中央的发射极沿箭头306的方向径向向外移动到集电极结构120。当离子302径向向外移动时，它们与空气分子304碰撞，以在同一径向方向驱动空气分子
304。空气分子304通过集电极结构120的大量多孔金属网，在由集电极结构120和外管
110限定的外环状区域134中形成高压力区，以及在集电极结构120之内形成相应的低压力区。高压空气被引导通过外管110的端盖150中的排气孔(见图1)。 以类似的方式，在金属网集电极之内的低压力区把空气抽到外管110的端盖140中的空气吸入孔内。 这样便能够产生气流，在一种应用中，该气流可将热空气从电子元件抽离。
[0033] 图4是圆柱状离子化空气流动加速器的集电极结构的第二实施例的三维透视图。集电极结构420包括一系列导电的径向散热片422，该径向散热片设置在包围发射极的固体接地
导管424中并与固体该接地导管连接(图4中未示)。 集电极结构420以与金属网集电极结构120(见图1)相类似的方式起作用。 接地导管424可提高安全性。 径向散热片422的配置有利于对气流(airflow)造成较小阻力。
[0034] 图5是圆柱状离子化空气流动加速器的集电极结构的第三实施例的三维透视图。集电极结构520包括一系列导电的径向散热片522，该径向散热片设置在包围发射极的多孔接地导管524中并与该多孔接地导管连接(图5中未示)。 集电极结构520以与金属网集电极结构120(见图1)相类似的方式起作用。 多孔接地导管524允许移动的空气径向地排出。 这实施例将环境空气从一个或两个端抽入该圆柱状结构内。
[0035] 图6是圆柱状离子化空气流动加速器的集电极结构的第四实施例的三维透视图。集电极结构620包括一系列导电的径向散热片622，该径向散热片设置在包围发射极的基本固体的接地导管624中并与该基本固体接地导管连接(图6中未示)。 集电极结构620还包括轴向孔630，该轴向孔限制排气流向槽状排气孔(slot-likevent)。 集电极结构620以与金属网集电极结构120(见图1)相类似的方式起作用。 接地导管624可提高安全性。 径向散热片622的配置有利于对气流造成较小阻力。
[0036] 在任何本文所描述的实施例中的离子化空气流动加速器可被构成任何适当的大小，并可按实际应用的需要将多个离子化空气流动加速器平行排列放置。 在任何本文所描述的实施例中的离子化空气流动加速器的形状可与在具体应用中的可用空间配合。 即该形状是有灵活的，并且不会被约束或限定成如附图所示的单个直的圆柱形。 发射丝连同同轴的集电极均能够绕转
角弯曲并根据需要成形，以与在应用中的可用空间配合。
[0037] 在任何本文所描述的实施例中的离子化空气流动加速器的简单结构可用传统的材料构成。 该结构的元件包括丝状或带状发射极、
支撑壳体、用模铸金属模具或模形成的及电
镀的集电极，以及高电压直流电源。
[0038] 图7示出了一种示例性的离子化空气流动加速器(例如，离子化空气流动加速器部分700)，该离子化空气流动加速器包括由圆柱状集电极(例如，集电极704)包围的丝状电极(例如，电晕电极706)，该圆柱状集电极被包围在圆柱形壳体结构中(例如，壳体702)。 集电极704在电晕电极706的周围同轴地配置，即集电极704和电晕电极706共享公用的轴线，例如丝状电极与集电极的轴线一致。
[0039] 本文所称的管状结构具有沿一个轴线的长度基本包围该轴线的表面。 该管状结构的横截面是表示该管状结构和垂直于该轴线的平面相交的表面。 该管状结构可具有圆形、椭圆形、矩形或其它适当的形状的横截面。 本文所称的圆柱状结构是具有圆形横截面的管状结构。 通常，管状结构的横截面的半径、直径、高度或宽度在管状结构的长度内不需要是恒定，虽然那些尺寸可以是恒定。
[0040] 当在电晕电极706和集电极704之间产生足够的电位差时(例如，在千伏特范围内的电位差)，电晕放电使在包围电晕电极706的空气中产生被离子化的分子并在电极之间产生电场。通常，那些离子均具有与电晕电极706相同的电极性。 当离子与其它空气分子碰撞时，离子给予那些其它空气分子朝向集电极704的动量，并且还传递一些电荷到那些其它空气分子，因而产生额外的离子。 离子被朝着集电极704吸引，在电晕电极706附近形成低流体压力区并在集电极704和壳体702之间形成高流体压力区。
[0041] 空气经由在圆柱状壳体中的孔流入及流出离子化空气流动加速器部分700。 例如，该加速器部分的端结构包括输入孔712、出口孔708以及出口孔710。 在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，输入孔712位于包围电晕电极706的低流体压力区附近，出口孔708和710位于在集电极704和壳体702之间产生的高流体压力区附近。 从而，利用施加到电晕电极706和集电极704的电位差效应使流入空气流动加速器部分700的空气加速。
[0042] 虽然出口孔708和710设置在与壳体702的轴线正交的端结构中，在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，一个或多个出口孔可设置在与该轴线平行的管状壳体的表面中。 通过沿管状壳体改变一个或多个出口孔的位置可改变排出气流的方向，该出口孔的位置在其中的高流体压力区的附近。 在至少一个实施例中，电晕电极706和集电极704由导电且导热的材料(例如，
铜或其它适合的导体)形成。在至少一个实施例中，壳体702由导电材料形成并被连接以接收电压，该电压小于或等于由集电极704接收的电压，而该由集电极704接收的电压小于由电晕电极706接收的电压。 在至少一个实施例中，壳体702由电绝缘材料形成。 其它可包括在离子化空气流动加速器部分中的结构用的结构(例如，对电晕电极丝提供支撑的结构)可由电绝缘但导热的材料形成。
[0043] 如图8所示，在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，管状壳体的几何形状可变化以在特定的方向增加流体流动。 例如离子化空气流动加速器部分800包括具有扩张的几何形状的扩张的管状壳体(例如，管状壳体802)，即管状壳体的横截面的直径沿管状壳体随着轴向位置而改变。该扩张的几何形状促进沿轴向方向的空气流动。例如，管状壳体的输入部分附近的横截面(例如，近输入孔812)的直径比管状壳体的出口附近(例如，出口孔806或出口孔808)的管状壳体的横截面的直径小。
[0044] 如图9所示，在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，集电极是装置的壳体，且没有使用独立的壳体。 对于是壳体的同一表面的集电极(例如，集电极904)，该集电极本身可具有扩张的几何形状，例如靠近集电极的输入的横截面(例如，输入孔912)的直径比靠近集电极的出口(例如，出口孔906或出口孔908)的集电极的横截面的直径小。即集电极的直径沿该轴线(例如，电晕电极910)随着远离输入孔912而增大。
当离子或其它流体分子与斜面碰撞时，一些与斜面碰撞的力在流体流动方向对离子或其它流体分子提供动量，因而，与图7所示的离子化空气流动加速器部分700相比，改进分别在图8和图9示出的离子化空气流动加速器部分800和900的流体流动的速度和/或流体流动效率。
[0045] 如图9所示，离子化空气流动加速器部分900不是对称的，这是因为在电晕电极和离子发射集电极之间的距离不均匀。 因此，可使在电极之间的电场强度不均匀。然而，应当注意的是，在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，电晕电极910是丝状的电晕电极，其有非零阻抗，且可从丝的一端到丝的另一端具有电压降(即发射电极的电压可沿发射电极的距离而变化)。 因为电场强度也在作为电压在距离上的函数而变化，可通过选择在电晕电极中产生的任何电流的方向来改变非均匀直径对电场的影响(例如，在丝电极上从集电极的出口到入口的正电压降，即在加速器部分的出口的丝电极部分的电压比在加速器部分的入口的丝电极部分的电压大的地方)。另一种用于改变对电场强度的影响的方法，可用于调整或增加流体流动，该方法包括采用具有阻抗的电晕电极结构，该阻抗随轴向距离改变。 例如，电晕电极的一个或多个特定部分可具有阻抗，该阻抗基于具有非均匀直径的集电极的相应部分的直径而选择。 因此，在电晕电极上的点与在集电极上的相应点之间的电场的均匀性可通过采用一个或多个具有相应阻抗的电晕电极部分而增加，该具有相应阻抗的电晕电极部分沿电晕电极的长度产生电流变化。
[0046] 图7至图11示出了与离子化空气流动加速器部分700、800和900的流动效率相比，改进离子化空气流动加速器部分1000和1100的流动效率的技术。 在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，通过在管状壳体的出口而不是设置与空气流动的目标方向正交的表面(例如，端表面709、809和909)设置流动调节结构(例如，流动调节结构1009和1109)，来减小在管状壳体的出口的流阻。 端表面709、809和909有利于产生增大
空气阻力和减小空气流动的局部
涡流。 流动调节结构1009和1109在适当的角度逐渐倾斜以在目标流动方向调节空气流动，因而，与离子化空气流动加速器部分700、800和
900的流动效率相比，改进了离子化空气流动加速器部分1000和1100的流体流动的速度和/或流动效率。
[0047] 在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，可采用多个加速器级以增加在流体上的力或在流体上的功。 图12示出了多级加速器部分1200包括级1202、1204和1206。每一级1202和1206均包括单个电晕电极，例如，分别是电晕电极1208和1214，该单个电晕电极由相应的集电极和管状壳体包围。 级1204包括多个腔室。 每一个腔室均包括相应的电晕电极(例如，电晕电极1210或1212)和相应的集电极。 空气流动通过多个腔室到达公共出口孔1220，该公共出口孔位于级1204的高流体压力区中。 空气进入级1206，从级1204进入到级1206的低流体压力区中。 空气在该级的低流体压力区进入每一连续的级并在该级的高流体压力区离开每一连续的级。 图13示出了多级加速器部分1300包括单个电晕电极级1320和1322以及过渡级1324。 过渡级1324将空气流动从级1320的高流体压力区在级1320的出口孔路流到在级1322的低流体压力区的入口孔
1308。 结果，每一多级加速器部分1200的流动速度和/或出口压力和多级加速器部分
1300的流动速度和/或出口压力均分别比那些单级的加速器部分所达到的流动速度和/或出口压力大。
[0048] 应当注意的是，图12和图13所示的多级加速器部分的实施例可以是扩张的和/或可在级之间包括减小流阻用的流动调节结构。 在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，集电极可以是用于冷却电子装置的
散热器或者热交换表面。 在离子化空气流动加速器的至少一个实施例中，管状壳体和/或集电极的壁用作散热面。
[0049] 本文对本发明的描述仅作为示例，而并非打算对以下本发明的
权利要求范围作限制。 例如，当本发明在实施例中描述电晕电极基于电晕电极和集电极的特定电位差而具有正极性时，本领域的技术人员应当意识到本文的教导可与其它的电位差一起被利用，以及应当意识到可采用负极性。 此外，当本发明在实施例中描述空气是被离子化和被加速的流体时，本领域的技术人员应当意识到本文的教导可与其它的流体一起被利用。 另外，当本发明在实施例中描述电晕电极是丝状以及集电极和任何壳体是圆柱形时，本领域的技术人员应当意识到本文的教导可与具有其它适合形状的电晕电极、集电极和/或壳体一起被利用(例如，集电极和任何壳体是管状)。在不脱离本发明权利要求的范围及精神的前提下，可根据本文的描述对本文所揭示的实施例作出变型和
修改。
