誘電体バリア放電ポンプ装置および方法

专利摘要:
流体流を加速させるための誘電体要素バリア放電ポンプである。一実施形態において、ポンプは、内部に第１電極が埋設された第１誘電体層と、内部に第２電極が埋設された第２誘電体層とを有する。第１および第２誘電体層はさらに、互いに離間して支持されて、間に空隙を形成している。流体流の流れの方向に対して、第１および第２電極の上流の空隙に少なくとも部分的に第３電極が設置されている。高電圧は、第３電極に高電圧信号を供給する。電極は、間隙内に誘導空気流を生成させる対向する非対称プラズマ場を間隙内に発生させるよう協働する。誘導空気流は、流体流が間隙を通って進むにつれて流体流を加速させるよう作用する。
公开号:JP2011511615A
申请号:JP2010544981
申请日:2008-12-22
公开日:2011-04-07
发明作者:ブラッドリー；エー． オズボーン，；ジョゼフ；エス． シルキー，；リチャード；エス． ダイアー，
申请人:ザ・ボーイング・カンパニーＴｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ；
IPC主号:H02N13-00

专利说明:

[0001] 本開示は、一般にポンプに関し、より詳細には、非対称プラズマ場の生成を通じて、かつ、典型的には流体ポンプに付随する可動部品を必要とせずに、流体噴流を発生させることのできる誘電体バリア放電ポンプ装置および方法に関する。]
背景技術

[0002] 本項における記述は、単に、本開示に関連する背景情報を提供するに過ぎず、かつ、先行技術を構成するものではない。
数多くの用途では、流体が流れているダクトやその他の形態の閉じ込められた領域内において（例えば、空気流、排気流、ガス流などのような）流体流を加速させることができるか、流体の放出、注入もしくは混合用または空気力学的制御もしくは推進の目的用に流体噴流を形成することが望ましいであろう。場合によっては、従来のポンプや類似の装置を用いてもこれは特に困難であり得る。一つには、ダクトまたは導管内にポンプを物理的に取り付けることが困難である。また別の課題としては、ポンプは、ダクトを通じた流体流を著しく妨げるであろう物理的大きさでなければならない可能性があるか、反対に、ダクトまたは導管の直径が容認できないほどの大きさを要する可能性がある。さらには、電気モータによる駆動を要する可能性がある従来のポンプは、典型的に、数多くの可動部品を有する。モータやポンプ自体に数多くの可動部品が存在することにより、定期的な整備および／または修理の必要が生じる可能性があり、ポンプがダクトや導管内に取り付けられている場合は、これら整備および／または修理が困難、かつ、時間がかかるかもしれない。従来のポンプはまた、騒音も大きく、かつ、さまざまな用途における使用を限定するかなりの重量があることがある。]
[0003] 本開示は、（例えば、空気流、ガス流、排気流などの）流体が流れているダクト内においてポンプとして用いるのに特に十分に適した誘電体バリア放電装置および方法に関する。一実施形態において、該装置は、内部に第１電極が埋設された第１誘電体層を含む。第２電極は、流体流の流れの方向に対して第１電極の上流の空隙に少なくとも部分的に設置されている。高電圧源は、第２電極に高電圧信号を供給する。電極は、空隙内に誘導空気流を生成する非対称プラズマ場を空隙内に発生させるよう協働する。誘導空気流は、流体流が空隙を通って移動するにつれて流体流を加速させる。]
[0004] さまざまな実施形態において、２層以上の離間した誘電体層が用いられ、各々が、少なくとも１つの埋設電極を有する。誘電体層間の空隙に露出電極が位置している。空隙を通じた流れを加速させるのに役立つ一対の非対称対向プラズマ場が発生される。]
[0005] 一構成において、ダクトを通る流体を加速させるための流体流ポンプの形成方法を開示する。該方法は、
第１誘電体層内に少なくとも部分的に第１電極を設置し、
ダクト内に前記第１誘電体層を設置し、
第２誘電体層内に少なくとも部分的に第２電極を設置し、
第１誘電体層と概して対面する関係になるように、かつ、第１誘電体層と第２誘電体層との間に空隙が形成されるように、ダクト内に第２誘電体層を設置し、
第３電極が空隙内に少なくとも部分的に存在し、かつ、空隙を通る流体の流れの方向に対して誘電体層の上流端に向かって存在するように、ダクト内に第３電極を位置させ、
第３電極を電気的に励起して、第３電極、第１電極および第２電極が空隙内で対向する非対称電界を協働して発生させることにより、空隙を通る誘導流を発生させることを含んでいてもよい。誘導流は、流体が空隙を通って流れるにつれて流体を加速させるよう作用する。]
[0006] さまざまな実施形態および構成において、より多くの複数の電極を使用して、流体流を加速可能な複数の離間した空隙を形成してもよい。]
[0007] ここに示される説明からさらなる適用可能分野が明らかになるであろう。説明および特定の実施例は、例示のためにのみ意図されており、本開示の範囲を限定するよう意図されてはいないことは理解されるべきである。]
図面の簡単な説明

[0008] ここに説明される図面は、単に例示目的のものであり、本開示の範囲をいかようにも限定するよう意図されてはいない。
図１は、本開示に係る流体流加速装置の一実施形態の模式図である。
図１Ａは、単一の埋設電極しか含まれていない装置の異なる実施形態の模式図である。
図１Ｂは、完全な十分に形成されたダクトが得られない場合の使用に適した装置の異なる実施形態の模式図である。
図２は、図１に示した流体流加速装置を９つ用いる二次元流体流加速システムの側面図である。
図３は、図１に示した流体流加速装置を複数用いる三次元流体流加速システムを通じたカットである。
図４は、図１に示したようなシステムを形成する作業のフローチャートである。] 図１ 図１Ａ 図１Ｂ 図２ 図３ 図４
実施例

[0009] 以下の説明は、本質的に単なる代表例に過ぎず、本開示、用途または使用を限定するよう意図されてはいない。図面全体を通じて、対応する参照番号が、同様のまたは対応する部品および特徴を示していることは理解されるべきである。]
[0010] 図１を参照して、流体流加速装置１０を示す。制御器１２と関連付けて該装置を使用することにより、流体流加速システム１４を形成する。装置１０は、ダクト１６もしくは導管内、または、閉じ込められたもしくは半分閉じ込められた流体流が存在し、流体流を加速させることが望まれる何らかの構成要素や構造内に位置していてもよい。] 図１
[0011] 図１をさらに参照して、装置１０は、ダクト１６の内部壁に固定された第１誘電体層１８と、対面（すなわち、対向）関係となるようにダクトの内部壁に固定された第２誘電体層２０とを含む。第１誘電体層１８は、層１８内に少なくとも実質的に埋設された第１電極２２を含む。第２誘電体層２０は、層２０内に少なくとも実質的に埋設された第２電極を含む。誘電体層１８および２０の位置づけにより、これらの間に空隙２６が形成されている。好ましくは、空隙２６間隔は、約０．１インチ〜１．０インチ（３ｍｍ〜２５ｍｍ）であるが、用途によっても変化する可能性がある。誘電体層１８および２０はまた、ダクト１６の内部表面内の凹部に取り付けられ（recessed mounted）ていても、ダクト１６の壁に形成された開口内に位置していてもよい。いかなる取り付け配置も本開示の範囲内であると考えられる。] 図１
[0012] 装置１０は、交流（ＡＣ）高電圧源２８をさらに含み、該交流高電圧源２８は、好ましくは、誘電体の電気強度および厚みにより約１ＫＶＡＣ〜１００ＫＶＡＣのピークツーピーク出力を発生している。ＡＣ電圧源２８の出力３０は、第３（すなわち、非埋設）電極３２に印加される。第３電極３２は、１つ以上の放射状に延在する支柱（図示せず）によってなどの何らかの適切な手法でダクト１６内に支持されている。第３電極３２はまた、誘電体層１８および２０の上流端３４に隣接して設置されている。「上流端」とは、ダクト１６を通る流体３６の流れの方向を考慮したとき、誘電体層１８および２０の上流側へ向かう位置を意味する。本実施例において、流体３６は、ダクト１６を通って左から右へ流れているので、誘電体層１８および２０の上流端３４は、誘電体層１８および２０の左側となる。第３電極３２は、図１において空隙２６内（すなわち、誘電体層１８および２０が境界となる領域内）に完全に位置するものとして示されているが、第３電極３２は、部分的に空隙２６の外部に、すなわち、誘電体層１８および２０が境界となる領域から外向きに位置させることも可能である。] 図１
[0013] ＡＣ電圧源２８の動作は、制御器１２により制御される。制御器は、ＡＣ電圧源２８が所望の周波数の高電圧パルスを発生するように、ＡＣ電圧源２８を制御してもよい。高電圧源の波形は、正弦波、矩形波、鋸歯状波もしくは短期間（ナノ秒）パルスまたはこれらパルスの何らかの組み合わせであってもよい。任意の用途の特定の需要によって、その他のあらゆる制御方式を実施してもよい。]
[0014] 誘電体層１８および２０は、同じ厚みおよび長さであるとして図１に示されているが、これは、必須というわけではない。したがって、誘電体層１８および２０の厚みおよび長さは、特定の用途に適するように変化させてもよい。しかしながら、図１に示されている実施形態においては、各誘電体層１８および２０の厚みは、約０．０１インチ〜０．５インチ（０．２５４ｍｍ〜０．１２７ｍｍ）であることが好ましい。各誘電体層１８および２０の長さもまた、任意の用途の需要を満たすように変化させてもよいが、たいていの場合、その内部に埋設されている電極（２２または２４）の長さより少なくともわずかに長いだろう。一例として、各電極２２および２４の長さは、約０．５インチ〜３インチ（１３ｍｍ〜７５ｍｍ）とすることができ、各誘電体層１８および２０の長さはさらに、約１．０インチ〜４．０インチ（２５．４ｍｍ〜１０１．６ｍｍ）の間とすることができる。誘電体層１８および２０は、テフロン（Ｒ）、カプトン（Ｒ）、石英、サファイア、または、良好な絶縁耐力を有するその他の何らかの簡便な絶縁体から構成されていてもよい。電極２２および２４は、銅、アルミニウム、または、簡便な導体を形成するその他の何らかの材料から形成されていてもよい。] 図１
[0015] 動作中は、ＡＣ電圧源２８は、第３電極３２に通電する出力線３２に高電圧信号を供給する。これにより、第３電極３２、第１電極２２および第２電極２４が協働して一対の非対称に加速されたプラズマ場３８および４０を形成することができる。「非対称」とは、図示されているようにプラズマ場の力の強度が下流方向に大きくなることを意味し、このことは、場が誘電体層１８および２０の下流端４２に向かうにつれての各場３８および４０の先細り形状により示されている。非対称プラズマ場３８および４０は、空隙２６を通る誘導空気流４４を生成する。誘導空気流４４は、ダクト１６を通って流れている流体３６の流れを加速させるよう作用する。流体３６は、排気ガスであっても、空気流であってもよく、事実上いかなる形態のイオン化ガスを含んでいてもよい。]
[0016] 装置１０の数多くの種々の実施形態は、上記の教示を用いて構築することができる。例えば、図１Ａに示すように、図１に示した装置１０の半分に相当する装置１０’を構築することができる。ここで、露出電極３２’は、内部ダクト壁１６’の一方を形成するか、完全または部分的に覆う誘電体層４２’に埋設されている。図１Ｂは、露出電極３２’’と誘電体層４２’’に埋設された電極２４’’とを有する装置１０’’の別の実施形態を示している。装置１０’’は、完全に形成されたダクトがない状態で構成および使用可能である。本実施例においては、露出電極３２’’は、誘電体層４２’’から所望の距離に維持するために何らかの外部支持体または支柱により支持されている必要があるだろう。] 図１ 図１Ａ 図１Ｂ
[0017] 図２を参照して、例えば、合計９つの流れ加速装置１０’および１０ａを使用する二次元流れ加速システム１００を示す。システム１００は、三段二ポンプシステムを形成している。流れ加速装置１０’の各々は、各流れ加速装置１０’が誘電体層１８’および２０’内にそれぞれ完全に埋設されている電極２２’および２４’を含むことを除いて、図１に示した流れ加速装置１０と構造上同一である。図１および図２における類似の構成要素は、同じ参照番号を付しているが、図２では各番号にダッシュが用いられている。] 図１ 図２
[0018] 図２におけるシステム１００は、最内部の２つの誘電体層２０’および１８’ならびに３つの電極３２ａを利用して、３つの中央配置装置１０ａを形成する。それ以外は、電極３２ａは、電極３２および３２’と構造上同一である。図面が煩雑になるのを避けるために、ＡＣ電圧源２８ならびにＡＣ電圧源２８を非埋設電極３２’および３２ａの各々に結合する出力線は省略している。制御器１２もまた省略している。図２のシステム１００は、流体が流れる可能性のある３つの別個の空隙２６ａ、２６ｂおよび２６ｃを形成している。誘電体層１８’および２０’は、長手方向に隣接した装置１０’および１０ａの間の間隙を許容しつつ電極２２’を内部に封入するように各々が十分な長さを有しており、その結果、一方の装置（１０’または１０ａ）の非埋設電極（３２’または３２ａ）は、長手方向に隣接した装置１０’または１０ａと干渉しない。装置１０’および１０ａは、図における左から右へまたはその他の何らかの所望の順序で次々に通電されてもよい。] 図２
[0019] 図３を参照して、三次元流れ加速システム２００を示す。システム２００は、例えば、システム１００と同様の四段三ポンプシステムを形成するが、装置１０’から横にずらすことのできる追加の装置１０ａを含む。「横にずらす」とは、装置１０ａが、例えば、Ｚ平面に沿って装置１０’とは異なる位置に存在していてもよいことを意味する。したがって、三次元に複数の流路２６’が生成されていてもよい。該ずらし配置によって、より小さい体積および短い長さでより効率的に作動段を詰め込むことができる。] 図３
[0020] 図４は、装置１０のような誘電体バリア放電ポンプを用いたシステム１４のような流れ加速システムの形成方法を示すフローチャート３００である。作業３０２において、各層が自らの埋設電極を有する状態でダクト内に誘電体層を配置することにより、層間に空隙を形成する。作業３０４において、埋設電極の上流端に隣接して非埋設電極を配置する。作業３０６において、高電圧ＡＣ電圧源を非埋設電極と結合する。作業３０８において、非埋設電極に通電して、空隙内に対向する非対称プラズマ場を発生させる。プラズマ場は、ダクトを通って流れる流体を加速させる役割を果たす誘導空気流を空隙内に生じさせる。] 図４
[0021] ここに説明したさまざまな実施形態はすべて、可動部品を有する装置を必要とすることなく流体流を加速させる手段を形成する。したがって、ここに開示したさまざまな実施形態により、自らの動作のために可動部品を必要とする以前に開発されたポンプにより可能であろうものより信頼性の高い、軽量かつ潜在的に安価な流れ加速システムを実施可能である。]
[0022] さまざまな実施形態を説明したが、当業者は、本開示から逸脱することなく行ってもよい変更または変形例を認識するだろう。実施例は、さまざまな実施形態を示しており、本開示を限定するよう意図されてはいない。したがって、説明および請求項は、関連する従来技術を鑑みて必要な限定のみとともに寛容に解釈すべきである。]

权利要求:

請求項1
内部に第１電極が埋設された誘電体層と、流体流の流れの方向に対して前記第１電極の上流に存在し、さらに誘電体表面から離間して支持されることにより間に間隙を形成する第２電極と、第２電極に高電圧信号を供給する高電圧源とを含む、流体流を加速させるための誘電体要素バリア放電ポンプであって、前記第２電極と前記第１電極とが協働して、前記間隙内に誘導空気流を生成するプラズマ場を前記間隙において発生させ、前記誘導空気流が、前記流体流が前記間隙を通って移動するにつれて前記流体流を加速させるポンプ。
請求項2
前記プラズマ場が、非対称加速プラズマ場を含む請求項１に記載のポンプ。
請求項3
露出電極が、長い方のダクトを形成する第２壁に取り付けられているか、または埋設されている、請求項１に記載のポンプ。
請求項4
前記第１電極および前記第２電極に電気的に結合された接地面をさらに含む、請求項１に記載のポンプ。
請求項5
前記高電圧源が約１ＫＶＡＣ〜１００ＫＶＡＣの交流高電圧源を含む、請求項１に記載のポンプ。
請求項6
前記空隙が約０．１インチ〜１．０インチの距離を形成する、請求項１に記載のポンプ。
請求項7
追加の誘電体層に埋設されて、前記第１電極および前記誘電体層から離間して支持されており、さらに前記第２電極から離間して支持されていることにより間に第２間隙を形成する第３電極をさらに含む、請求項１に記載のポンプ。
請求項8
前記誘電体層に設置された第４電極、および前記追加の誘電体層に埋設されて、前記第２電極から長手方向に離間された第５電極をさらに含み、前記間隙の長手方向下流の前記第４電極および前記第５電極の間に追加の間隙が形成されており、少なくとも部分的に前記追加の間隙内に設置された第６電極をさらに含み、前記第４電極、前記第５電極および前記第６電極が、前記交流電圧源により電気的に励起されて、前記第４電極および前記第５電極の間に追加の対向するプラズマ場を形成することにより、追加の誘導流体流を生成させ、したがって前記流体流が前記追加の間隙を通って流れるにつれて前記流体流をさらに加速させる、請求項７に記載のポンプ。
請求項9
前記誘電体層の両方が、一対の概して平行かつ離間した表面上に設置されている、請求項７に記載のポンプ。
請求項10
ダクトを通る流体を加速させるための流体流ポンプの形成方法であって、少なくとも部分的に第１誘電体層内に第１電極を設置し、前記ダクト内に前記第１誘電体層を設置し、少なくとも部分的に第２誘電体層内に第２電極を設置し、前記第１誘電体層と概して対面する関係になるように、かつ前記第１誘電体層と前記第２誘電体層との間に空隙が形成されるように、前記ダクト内に前記第２誘電体層を設置し、第３電極が少なくとも部分的に前記空隙内に存在し、かつ前記空隙を通る前記流体の流れの方向に対して前記誘電体層の上流端に向かって存在するように、前記ダクト内に前記第３電極を位置させ、前記第３電極を電気的に励起して、前記第３電極、前記第１電極および前記第２電極が、前記空隙内で対向する非対称電界を協働して発生させ、これにより前記空隙を通る誘導流を発生させ、前記誘導流は、前記流体が前記空隙を通って流れるにつれて前記流体を加速させるよう作用することを含む方法。
請求項11
前記空隙内に前記第３電極を完全に存在させることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
請求項12
前記第３電極を電気的に励起することが、約１ＫＶＡＣ〜１００ＫＶＡＣの交流電圧により前記第３電極を電気的に励起することを含む、請求項１０に記載の方法。
請求項13
前記流体の流れの方向に対して、前記流体流ポンプの下流の位置の前記ダクト内に追加の流体流ポンプを形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。