电流体力学(EHD)现象涉及在绝缘的流体介质中的电场和流场的 相互作用。该电场和流场之间的相互作用可以包括由带电体的力引起 的流动。一般地说，有3种根据库仑力操作的EHD泵：感应泵，离子 牵引泵以及纯传导泵。
EHD感应泵依赖于感应电荷的产生。该电荷感应是在具有电场的情 况下由于流体的电导率的非均匀性而发生的。电导率的非均匀性可以 由不均匀的温度分布与/或流体的非均质性例如在两相流体中引起 的。因此，感应泵不能用于等温的流体中。
离子牵引泵可以用于在等温的流体中产生空间电荷。离子牵引泵 一般包括在金属/液体界面的离子注入，用于在等温的液体中产生空间 电荷。不过，离子牵引泵是不希望的，因为其可以使工作流体的电性 能变劣。

因而，需要一种改进的EHD泵机构，其提供一种等温的介电液体 泵作用以及等温和不等温的单相液体泵作用。本发明提供一种能够克 服现有的泵系统的缺点的EHD传导泵。
按照本发明的一个实施例，一种EHD传导泵包括EHD泵部分和相 关的连接管道。在该泵部分中电极被串联地设置。该电极和高压低电 流的直流电源相连，并且一个正极性的直流电压被加到该电极上。该 电极可以具有三针结构、空管结构或者销-针结构。
EHD传导泵的一个主要优点在于，只利用EHD泵吸机制便可以泵吸 等温的介电流体，而不需直接的电荷注入。这种简单的结构、无机械、 重量轻、通过改变所加电场便能快速地控制性能、以及低的功率消耗 是EHD传导泵应用的全部优点。本发明的可能的应用包括，在有重力 和无重力的情况下，在两相系统(例如毛细管泵循环和热管)中的EHD 泵吸工作流体(液相)。
从下面的附图和详细说明本领域的技术人员可以清楚地看出其它 的技术优点。

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照附图进行如下的说 明，其中：
图1是纯传导泵机构的示意图；
图2是静止的EHD泵的示意图；
图3是装配的三针高压电极和环形接地电极(示出了两对)的示 意图；
图4是装配的空管高压电极和环形接地电极(示出了两对)的示 意图；
图5是装配的销-针高压电极和环形接地电极(示出了两对)的 示意图；
图6是表示利用三针高压电极结构的作为施加的电压的函数产生 的压力的曲线；
图7是表示利用三针高压电极结构的作为施加的电压的函数的电 流的曲线；
图8是表示利用空管高压电极结构的作为施加的电压的函数产生 的压力的曲线；
图9是表示利用空管高压电极结构的作为施加的电压的函数的电 流的曲线；以及
图10是3个高压电极结构利用其中的5对的作为施加的电压的函 数产生的压力的曲线。

在等温液体中，只有作为作用到自由电荷上的力的库仑力可以贡 献于永久的电流体力学运动。在没有直接电荷注入的情况下，由于和 在电极附近的有限厚度的异号电荷层相关的电荷而实现泵作用，该电 极基于中性电解物质的分解作用和产生的离子的重新组合。这种类型 的泵作用被称为纯传导泵作用。这里利用3种不同的电极结构通过试 验来研究传导泵作用的机理。利用很低的电功率要求产生足够高的压 力头，这使得EHD传导泵作用在某些应用中具有吸引力，例如在毛细 管泵循环和热管中。
符号表
E＝电场
F＝施加于流体上的电力
I＝电流
R＝泵作用部分的半径
V＝电压
fe＝带电体的力密度
q＝电荷密度
r0＝高压电极的半径
ε＝介电常数
ρ＝流体密度
上标
+：正离子
-：负离子
引言
电流体力学(EHD)现象涉及在绝缘流体介质中的电场和流场的相 互作用。这个在电场和流场之间的相互作用可以引起由带电体的力产 生的流动运动。作用到分子上的带电体的力可以用下式[1]表示： $f_e=\mathrm{qE}-\frac{1}{2}{E}^2▿ϵ+\frac{1}{2}▿\left[E^2{\left(\frac{\partial ϵ}{\partial p}\right)}_{T}p\right]----\left(1\right)$
第一项代表库仑力，其是作用到电场中的自由电荷上的力。第二 和第三项代表作用到极化的电荷上的极化力。对于可压缩流体，第三 项，即电致伸缩项，是唯一相关的项。因而，EHD泵要求在流体内具有 自由空间电荷或者介电常数梯度。在等温的单相流体中，ε消失， 使得库仑力成为产生永久的EHD运动的唯一机制。
有3种根据库仑力操作的EHD泵：感应泵，离子牵引泵以及纯传 导泵。EHD感应泵作用依赖于感应电荷的产生。该电荷感应是在具有电 场的情况下由于流体的电导率的非均匀性而发生的。电导率的非均匀 性可以由不均匀的温度分布与/或流体的非均质性(例如在两相流体 中)引起。因此，这种泵作用机制不能用于等温的流体中。有两种主 要的机制用于在等温流体中产生空间电荷。第一种机制和在金属/液体 界面的离子注入有关，并且相关的泵作用被称为离子牵引泵作用。不 过，离子牵引泵作用是不希望的，因为其可以使工作流体的电性能变 劣。第二种机制和在电极附近的有限厚度的异号电荷层相关，该电极 基于中性电解物质的分解作用和产生的离子的重新组合[2]。这种类型 的泵作用被称为纯传导泵作用。这里使用的传导这个术语表示一种电 流的机制，其中不通过从电极注入来产生带电的载体，而通过在流体 内的分子的分解产生。在离子牵引泵作用和纯传导泵作用之间的可视 的差别是流动的方向。在一般的离子牵引泵中，对发射极(例如尖针) 加上高电压，并且集电极(例如环形电极)接地。在这种情况下，流 动方向将从高电压的发射极朝向接地的集电极。对于具有这种特定结 构的纯传导泵作用施加的相反，其流动的方向将从接地电极朝向高压 电极。不过，应当强调，该流动方向取决于电极(高压和接地电极) 的结构。对于纯传导泵作用，需要具有相当大的曲率半径的电极。此 外，为了减少在纯传导泵作用中的离子注入的影响，电极，特别是高 压电极不应当包括任何的尖端点或边沿。
本发明通过纯传导现象说明EHD泵作用。在这个领域中迄今为止 作了非常有限的工作，并且在这个领域中发表的大多数论文一直错误 地假定电致伸缩力(式1中的第三项)是在等温流体中产生净流动的 原因。如上所述，这个问题近年来由Atten和Seyed-Yagoobi所作的 工作澄清并解决了[2]。本发明的一个应用是一种用于在微重力环境下 操作的两相循环的EHD泵(例如毛细管泵吸循环或热管)。该泵将被 安装在从冷凝器部分到蒸发器部分的液体返回通路(等温液体)中。 这种简单的结构、无机械、重量轻、通过改变所加电场便能快速地控 制、以及低的功率消耗是EHD应用的全部优点。不过，应当认识到， 这种技术确实可以应用于等温的和非等温的单相液体。
理论回顾
一般地说，在一个宽的施加电压的范围内，I对V的曲线是高度地 非线性的，并且可以被分成3个不同的状态。在低电场状态下，观察 到线性行为，这主要是由于被溶解的电解杂质引起的[3]。如果液体含 有非常少量的离子(例如由于杂质)，则在固体表面上的静电荷将吸 引液体中的平衡离子。在固体表面上的电荷以及在液体中的平衡电荷 的重排列被称为双电层。因为静电的相互作用，在固体表面附近的离 子浓度大于远离固体表面的大量液体中的离子浓度。紧挨固体表面， 具有一层被牢固地吸引在固体表面上不能运动的离子。这个层被称为 致密层，并且一般大约0.5纳米厚。从致密层到均匀的大量液体，离 子浓度被逐渐减少到大量液体的离子浓度。这个区域的离子受静电的 相互作用的影响较小，并且可以运动。这一层被称为双电层中的扩散 层。扩散层的厚度取决于大量的离子浓度和液体的电性能[4]。在这种 低电场状态下，传导主要是因为由分解的分子产生的正离子和负离子 引起的。分解和重新组合处于动平衡。
                         A+BA++B-
当施加超过1kV/cm的电场时，分解的速率超过重新组合的速率， 并且在较高的电场下分解被进一步增加。因而，在离开扩散层的位置， 具有一个非平衡层，其中分解和重新组合的反应是不平衡的[5]。
在这种状态下的传导机制主要是由于离子分解和异号电荷的生成 引起的，该异号电荷即具有和相邻的电极的极性相反的极性的电荷。 在这种状态下的I对V的行为是亚欧姆的，只随电压的增加略微增加 电流。这个异号电荷层的厚度和相对应的工作流体的松弛时间以及局 部电场的强度成比例。这个状态和纯传导泵吸机制直接相关。如图1 所示，电极和异号电荷层之间的吸引在电极附近引起从液体侧向电极 侧的流体的运动。利用这种电极配置，在环形接地电极周围的净的轴 向运动几乎消失，这是因为几何对称的缘故。因而，只有在高压电极 周围的运动才能贡献于净的轴向流动。因为在小的曲率半径的电极附 近的电场是高的，所以相应的异号电荷层的厚度和其上的压力也是高 的。Atten和Seyed-Yagoobi[2]估计，在针板配置中的合成力可以被 解析地表示为： $F=-\frac{3\pi }{8}\frac{{\mathrm{ϵV}}^2}{{\left[\ln (R/r_0)\right]}^2}$ 其中r0是高压电极的半径，R是泵吸部分的半径。这意味着，由纯传 导泵吸作用产生的力或者压力和施加的电压呈二次相关，并且和介电 常数成正比。
在高电场状态下(≈100KV/cm)，由于从电极向液体注入离子而 使得随着电压的增加电流急剧地增加。这种现象主要由电极-液体界 面处的电化学反应控制，因此主要依赖于电极的成分和几何结构[6]。 超过这个电场值，离子牵引泵吸作用将占主导地位。
图2是用于说明用于研究纯传导泵吸现象的装置的示意图。其包 括EHD泵吸部分，透明的压力测量部分和连接管道。在泵吸部分中串 联设置有多达5对电极。高压电极和高压低电流直流电源(Glassman EW50R12)相连。正极性的直流电压被加到高压电极中。环形电极被电 气接地。压力测量部分是一个玻璃压力计，其具有10-90度的倾斜角。 对于高压电极研究了3种不同的结构(三针，空管和销-针)。接地 电极被制成简单的环形，其和泵吸部分内管壁齐平。这些接地电极被 设计成环形，以便避免对由高压电极产生的净的轴向流动的干扰，如 上部分所述。此外，环形接地电极提供一个可忽略的牵引系数。
图3，图4和图5分别表示用于三针、空管、和销-针高压电极结 构的管道内的装配的电极对。该三针和销-针电极由钢制成，而空管 电极由黄铜制成。环形接地电极由不锈钢制成。高压电极和接地电极 未被涂覆，不过，它们被制成圆的，以便减少离子注入。工作流体是R -123制冷剂。实验在25℃的流体温度下进行。在这个温度下，R-123 的介电常数、电导率和密度分别是42.78pF/m，2.7×10-8S/m，和1464 kg/m3。
和在下一部分呈现的数据相关的误差主要是由装置中的压力测量 部分中的高度差的测量引起的(图2)。只集中在10到20KV的电压范 围，对于三针、空管和销-针高压电极结构的压力头产生的最大百分 误差分别是3.5％，0.8％和3.7％。这些最大误差相应于10KV，这是由 于在上述的电压范围内产生的最小的压力头所致。电压和电流值的最 大的百分比不确定性分别是2.0％和1.5％。
作为施加的电压的函数的由泵产生的压力头和相应的电流值示于 下面。这些结果是对于所有的三种电极结构给出的。图6和图7对于 三针高压电极结构分别给出了作为施加的电压的函数的产生的压力和 相应的电流值。达到的最大压力头在20KV，0.7W的功率消耗，5对 电极的条件下大约为269帕。通过增加电极对的数量可以获得较高的 压力头。
图8和图9分别提供了对于空管高压电极结构的作为电压的函数 产生的压力和消耗的电流。在20KV，0.57W的电功率消耗，使用5 对电极的条件下利用这种结构实现的最大压力头大约为1034帕。按照 图6和图8，利用三针电极结构和空管电极结构产生的压力和施加的电 压具有近似的二次相关的关系，这和由Atten和Seyed-Yagoobi[2] 提出的理论模型一致。
产生的压力和被激励的电极对数成比例，不过，其小于由每对电 极产生的压力的算术和。这部分地由于，即使在相邻的电极对之间的 距离比各个高压电极和相应的接地电极之间的距离大得多时，也在相 邻的电极对之间存在负的相互作用。图7和图9的I对V的曲线表示， 电流值非常低，并且随着施加的电压的增加而略微增加，这意味着欧 姆或亚欧姆的行为，并且整体上或局部地缺乏离子注入。图7和图9 所示的电流数据是在操作开始的最初10分钟获得的。
这里没有清楚地提供销-针高压电极结构的各个实验结果。不过 其产生的压力低于三针和空管电极结构产生的压力。图10表示三种电 极结构作为电压的函数产生的压力。图10所示的数据是在使用5个电 极对的情况下得到的。空管电极结构比其它两种电极结构提供好得多 的性能。这主要是由于和其它两种结构相比，该空管结构具有较高的 可利用的投影面积(垂直于轴向)。此外，空管电极结构的性能较好， 这是因为和三针电极结构以及销-针电极结构相比，其在产生较高的 电场的高压电极的边沿和接地电极之间的距离较短。在20KV下利用空 管电极实现的最大压力头是1034帕，而利用三针和销-针电极则大约 为270帕。
当施加的电压超过20KV时，离子注入成为显著的，从而引起产 生的压力的突然减小和电流值的快速增加。这在20KV以下进行的任何 实验中都没有观察到。为了研究泵性能随时间的变化，使该泵利用三 针电极结构的3对电极在15KV下连续运行1小时以上。在这个时间间 隔的整个期间，产生的压力大约维持90帕的恒定值。不过，在第60 分钟，电流值从其12微安的初值下降到7微安，此后，电流几乎保持 恒定，这意味着功率消耗大大减小。
注意到利用3对电极在15KV下这些产生的压力和消耗的电流和图 6与图7分别示出的值不十分匹配。这是因为在图中给出的数据是若干 个试验的平均值，而在上面给出的长时间的数据基于一次实验。图6， 图8和图10给出的数据相应于稳态。不过，在图7和图9提供的电流 值和产生的压力数据不同，其在产生的压力一旦被捕集时便被记录， 以便改变下面的高压应用。如上所述，对于给定的操作条件，电流需 要一个长的时间才能达到其稳态值。因而，在图7和图9中给出的结 果相应于在给定的操作条件下的最大电流值。
基于传导现象的EHD泵吸作用利用3种不同的高压电极结构(三 针电极结构、空管电极结构和销-针电极结构)进行了实验研究。空 管高压电极结构提供了最好的性能。在20KV，0.57W的最大功率消耗 下利用5对空管电极结构实现的最大压力头是1034帕。更重要的是， 这里进行的工作证明了通过传导现象实现EHD泵吸作用的可能性。
参考文献 1.Melcher，J.R.，1981，Continuum Electromechanics，   Cambridge，MIT Press. 2.Atten，p.and Seyed-Yagoobi，J.，1999，   ″Electrohydrodynamically Induced Dielectric Liquid Flow   Through Pure Conduction in Point/Plane Geometry-   Theory″；Proceedings of the 13th International   Conference on Dielectric Liquids，CD ROM，Nara，Japan. 3.Felici，N.J.，1971，″D.C.Conduction in Liquid   Dielectrics″，Direct Current，Vol.2，No.3，pp.90-99. 4.Yang，C.and Li，D.，1998，″Analysis of Electrokinetic   Effects on the Liquid Flow in Rectangular   Microchannels″，Colloids and Surfaces，A：   Physico-chemical and Engineering Aspects 143，pp.   339-353.     5.Zhakin，A.1.，1998，″Conduction Models in Dielectric   Liquids″，Electrohydrodynamics，edited by A.   Castellanos，Chapter 6，Springer Wien New York. 6.Richter，A.and Sandmaier，H.，1990，″An   Electrohydrodynamic micropump″，3rd IEEE Workshop on   Micro Electromechanical Systems，IEEE MEMS-90，Napa   Valley，California，USA.