RU113083U1 - PORTABLE COOLING DEVICE USING "ION WIND" IN CROWN DISCHARGE - Google Patents

Abstract

1. Портативное охлаждающее устройство с использованием «ионного ветра» в коронном разряде, содержащее коронирующий электрод в виде иглы и некоронирующий электрод в виде металлической пластины кольцевой формы, соединенные с источником высокого напряжения, отличающееся тем, что некоронирующий электрод дополнительно содержит слой плохопроводящего материала на внутренней поверхности кольца, установленного на торце трубчатого изолятора, при этом коронирующий, некоронирующий электроды и трубчатый изолятор расположены между собой соосно, причем внутренний диаметр трубчатого изолятора и внутренний диметр слоя плохопроводящего материала имеют одинаковый размер в диапазоне значений D=1,5-5,0 мм, при этом межэлектродное расстояние H соответствует условию H=(0,4-0,6)D. ! 2. Портативное охлаждающее устройство с использованием «ионного ветра» в коронном разряде по п.1, отличающееся тем, что радиус острия иглы коронирующего электрода равен R=40-50 мкм. 1. A portable cooling device using "ionic wind" in a corona discharge, containing a corona electrode in the form of a needle and a non-corona electrode in the form of an annular metal plate, connected to a high voltage source, characterized in that the non-corona electrode further comprises a layer of poorly conductive material on the inner the surface of the ring installed at the end of the tubular insulator, while the corona, non-corona electrodes and the tubular insulator are located coaxially with each other, and the inner diameter of the tubular insulator and the inner diameter of the layer of poorly conductive material have the same size in the range of D = 1.5-5.0 mm , while the interelectrode distance H corresponds to the condition H = (0.4-0.6) D. ! 2. A portable cooling device using "ionic wind" in a corona discharge according to claim 1, characterized in that the radius of the needle tip of the corona electrode is equal to R = 40-50 μm.

Description

Полезная модель относится к технической физике, в частности к аппаратам электронно-ионной технологии. Устройство может быть использовано в системах охлаждения микроэлектронных приборов или других областях техники, где требуется струя газа с малой площадью рабочей поверхности - средним диаметром менее 1÷3 мм и скоростью 10÷15 м/с на оси струи.The utility model relates to technical physics, in particular to devices of electron-ion technology. The device can be used in cooling systems of microelectronic devices or other areas of technology where a gas jet is required with a small area of the working surface - an average diameter of less than 1 ÷ 3 mm and a speed of 10 ÷ 15 m / s on the axis of the jet.

Известно, что коронный разряд (КР) создает электрический («ионный») ветер, обусловленный увлечением газа за счет столкновений с нейтральной компонентой [1, 2]. Это явление широко применяется в бытовых и промышленных ионизаторах или системах очистки воздуха, использующих КР с разрядным промежутком 10÷20 мм, рабочими напряжениями 10÷20 кВ и скоростью электрического («ионного») ветра до 1 м/с.It is known that a corona discharge (RS) creates an electric (“ionic”) wind due to the entrainment of gas due to collisions with the neutral component [1, 2]. This phenomenon is widely used in domestic and industrial ionizers or air purification systems using air discharge systems with a discharge gap of 10–20 mm, operating voltages of 10–20 kV and an electric (“ionic”) wind speed of up to 1 m / s.

Для целей охлаждения или обработки (обдува) поверхности малогабаритных объектов необходимо создавать узкую струю газа (воздуха), которая может быть обеспечена компрессором и соответствующей трассой, доставляющей газ в рабочую зону. Очевидно, что такие устройства громоздки и дороги.For the purpose of cooling or treating (blowing) the surface of small-sized objects, it is necessary to create a narrow stream of gas (air), which can be provided with a compressor and an appropriate route that delivers gas to the working area. Obviously, such devices are bulky and expensive.

В научно-популярной литературе появились сообщения о разработке систем охлаждения для микроэлектроники на основе разряда, причем, тип разряда и описание устройств не приводятся [3]. В связи с реализацией КР при малых разрядных промежутках [4] возможно создание портативного переносного разрядного устройства, генерирующего узконаправленную струю газа.In the non-fiction literature there have been reports on the development of cooling systems for microelectronics based on the discharge, moreover, the type of discharge and a description of the devices are not given [3]. In connection with the implementation of Raman scattering at small discharge gaps [4], it is possible to create a portable portable discharge device generating a narrowly directed gas stream.

Известно устройство (US 2008197779), предназначенное для охлаждения приборов, выполненное в виде «ионного генератора ветра» на основе образования коронного разряда между электродами.A device is known (US 2008197779) intended for cooling devices made in the form of an “ionic wind generator” based on the formation of a corona discharge between the electrodes.

Наиболее близким устройством к заявляемому устройству является охлаждающее устройство с использованием эффекта «ионного ветра», использующий конфигурацию металлических электродов в форме «игла-кольцо» (JP 2008218853), в котором предложен многосекционный вариант с такой конфигурацией электродов, обеспечивающий (по утверждению авторов) более высокую скорость «ионного ветра» по сравнению с одной секцией. Какие-либо рекомендации по размерам и параметрам предложенной конфигурации отсутствуют. Поэтому такое охлаждающее устройство фактически не отличается от бытовых и промышленных ионизаторов с конструкцией электродов «игла-сетка», в которых «ионный ветер» используется для прокачки газа через разрядный промежуток. Параметры таких ионизаторов указаны выше.The closest device to the claimed device is a cooling device using the "ionic wind" effect, using a configuration of needle-ring-shaped metal electrodes (JP 2008218853), in which a multi-sectional variant with this configuration of electrodes is proposed, providing (according to the authors) more high speed of "ion wind" in comparison with one section. There are no recommendations on the sizes and parameters of the proposed configuration. Therefore, such a cooling device is practically no different from domestic and industrial ionizers with the design of "needle-grid" electrodes, in which the "ionic wind" is used to pump gas through the discharge gap. The parameters of such ionizers are indicated above.

Недостатком данных устройств является низкая эффективность охлаждения.The disadvantage of these devices is the low cooling efficiency.

Технический результат полезной модели: повышение интенсивности охлаждения.The technical result of the utility model: increasing the cooling rate.

Для решения поставленной задачи предлагается портативное охлаждающее устройство с использованием «ионного ветра» в коронном разряде, содержащее коронирующий электрод в виде иглы и некоронирующий электрод в виде металлической пластины кольцевой формы и соединенные с источником высокого напряжения, согласно полезной модели, некоронирующий электрод дополнительно содержит слой плохопроводящего материала на внутренней поверхности кольца, установленного на торце трубчатого изолятора, при этом коронирующий, некоронирующий электроды и трубчатый изолятор расположены между собой соосно, причем внутренний диаметр трубчатого изолятора и внутренний диметр слоя плохопроводящего материала имеют одинаковый размер в диапазоне значений D=1,5-5,0 мм, при этом межэлектродное расстояние Н соответствует условию Н=(0,4-0,6)D. Причем радиус острия иглы коронирующего электрода равен R=40-50 мкм.To solve this problem, a portable cooling device using an “ion wind” in a corona discharge is proposed, containing a corona electrode in the form of a needle and a non-corona electrode in the form of a metal plate of a ring shape and connected to a high voltage source, according to a utility model, the non-corona electrode further comprises a layer of poorly conductive material on the inner surface of the ring mounted on the end of the tubular insulator, while the corona, non-corona electrodes and the insulator is arranged coaxially with each other, and the inner diameter of the tubular insulator and the inner diameter of the layer of poorly conducting material are the same size in the range of values D = 1.5-5.0 mm, while the interelectrode distance H corresponds to the condition H = (0.4-0 , 6) D. Moreover, the radius of the needle tip of the corona electrode is equal to R = 40-50 microns.

По мнению заявителя эта проблема может быть решена на основе устройства, использующего устойчивый коронный разряд при малых межэлектродных промежутках с конфигурацией электродов «игла-кольцо» и состоящем из коронирующего электрода в форме иглы и некоронирующего электрода, представляющего собой кольцевую металлическую пластину с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоем из плохо проводящего материала (ППМ).According to the applicant, this problem can be solved on the basis of a device using a stable corona discharge at small interelectrode gaps with a needle-ring electrode configuration and consisting of a corona electrode in the form of a needle and a non-corona electrode, which is an annular metal plate deposited on its inner surface with a layer of poorly conductive material (PPM).

Слой плохо проводящего материала на внутренней поверхности металлического кольцевого электрода выполняет функцию обеспечения стабильности возникающего коронного разряда. В качестве высоковольтного источника для обеспечения устойчивой работы устройства должны использоваться малогабаритные батарейные блоки питания на основе пьезотрансформаторов, максимальное напряжение которых составляет 4,5÷5 кВ [5]. Это напряжение ограничивает величину разрядного промежутка в коронном разряде интервалом 1÷3 мм.The layer of poorly conductive material on the inner surface of the metal ring electrode performs the function of ensuring the stability of the corona discharge. As a high-voltage source to ensure the stable operation of the device, small-sized battery power supplies based on piezotransformers with a maximum voltage of 4.5–5 kV should be used [5]. This voltage limits the value of the discharge gap in the corona discharge to an interval of 1–3 mm.

Принцип работы устройства основан на генерации носителей заряда коронным разрядом постоянного тока, при которой происходит эффективная ионизация молекул (атомов) газа вблизи острия коронирующего электрода. При работе охлаждающего устройства возникающие под воздействием коронного разряда ионы оседают на внутренней поверхности трубчатого изолятора, создают фокусирующий эффект и не дают разлетаться ионам струи, обеспечивая увеличение максимальной продольной напряженности электрического поля на оси устройства и создавая тем самым узконаправленную струю газа («ионного ветра»).The principle of operation of the device is based on the generation of charge carriers by a corona discharge of direct current, in which there is an effective ionization of gas molecules (atoms) near the tip of the corona electrode. During the operation of the cooling device, ions arising under the influence of a corona discharge settle on the inner surface of the tubular insulator, create a focusing effect and prevent the ions of the jet from scattering, providing an increase in the maximum longitudinal electric field strength on the axis of the device and thereby creating a narrowly directed gas stream (“ion wind”) .

Противоположный торец изолятора должен быть открыт, чтобы обеспечить поступление газа в зону разряда без возникновения возвратного течения в области формирования электрического ветра.The opposite end of the insulator must be open to ensure the flow of gas into the discharge zone without the occurrence of a return flow in the electric wind formation region.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 приведен поперечный разрез устройства, где:The essence of the utility model is illustrated by drawings. Figure 1 shows a cross section of a device, where:

1 - цилиндрический трубчатый изолятор;1 - cylindrical tubular insulator;

2 - кольцевой слой из плохо проводящего материала (ППМ);2 - an annular layer of poorly conductive material (PPM);

3 - кольцевой металлический электрод;3 - ring metal electrode;

4 - электрод «игла»;4 - electrode "needle";

D - внутренний диаметр изолятора и кольца из ППМ;D is the inner diameter of the insulator and the PPM ring;

Н - размер разрядного промежутка (от кончика иглы до торцевой поверхности слоя ППМ);H is the size of the discharge gap (from the tip of the needle to the end surface of the PPM layer);

БП - блок питания (напряжение до 5 кВ);BP - power supply (voltage up to 5 kV);

h - участок иглы с острием, параллельный оси устройства;h - section of the needle with a tip parallel to the axis of the device;

l - длина кольца;l is the length of the ring;

L - длина цилиндрического трубчатого электрода.L is the length of the cylindrical tubular electrode.

На фиг.2 приведены экспериментальные сравнительные характеристики электрического ветра («ионного ветра»).Figure 2 shows the experimental comparative characteristics of the electric wind ("ion wind").

Устройство монтируется на цилиндрическом трубчатом изоляторе 1 с внутренним диаметром D=1,5÷5,0 мм и длиной L≈(4÷6)D. Максимальное и минимальное значения внутреннего диаметра трубчатого изолятора определяется с одной стороны расстоянием, достаточным (необходимым) для разгона электронов из зоны ионизации (D=1,5 мм) и, с другой стороны, расстоянием (D=5,0 мм), ограничением, обусловленным напряжением пьезотрансформатора. К одной из торцевых поверхностей трубчатого изолятора прикреплен некоронирующий электрод 3 в виде металлической пластины кольцевой формы, (кольцевая металлическая пластина) на внутренней поверхности которой содержится слой из ППМ с удельным электрическим сопротивлением ρ=10⁴÷10⁵ Ом·м с внутренним диаметром равным внутреннему диаметру трубчатого изолятора. На внешней поверхности слоя из ППМ установлен кольцевой тонкий металлический электрод 3. Размер вдоль оси составного электрода должен быть не более диаметра l=(0,4-1)D. Толщина стенок кольца ППМ и цилиндрического (трубчатого) изолятора может быть различной, но для обеспечения прочности, жесткости и минимальных габаритов должна быть в пределах 1÷2 мм.The device is mounted on a cylindrical tubular insulator 1 with an inner diameter of D = 1.5 ÷ 5.0 mm and a length of L≈ (4 ÷ 6) D. The maximum and minimum values of the inner diameter of the tubular insulator is determined on the one hand by a distance sufficient (necessary) for the acceleration of electrons from the ionization zone (D = 1.5 mm) and, on the other hand, by a distance (D = 5.0 mm), a restriction due to the voltage of the piezotransformer. A non-corona electrode 3 is attached to one of the end surfaces of the tubular insulator in the form of a ring-shaped metal plate (ring metal plate) on the inner surface of which there is a PPM layer with a specific electrical resistance ρ = 10 ⁴ ÷ 10 ⁵ Ohm · m with an inner diameter equal to the inner the diameter of the tubular insulator. An annular thin metal electrode 3 is installed on the outer surface of the PPM layer. The size along the axis of the composite electrode should be no more than diameter l = (0.4-1) D. The wall thickness of the PPM ring and the cylindrical (tubular) insulator can be different, but to ensure strength, stiffness and minimum dimensions, it must be within 1 ÷ 2 mm.

Коронирующий электрод («игла») 4 закрепляется на цилиндрическом (трубчатом) изоляторе таким образом, чтобы участок с острием иглы, имеющей длину вдоль оси устройства h=(2÷3)D, устанавливался строго на оси трубчатого изолятора - соосно. Оптимальное расстояние от кончика острия до плоскости кольца из ППМ, обеспечивает максимальную скорость струи и соответствует условию Н=(0,4÷0,6)D, т.к. при такой величине разрядного промежутка создается максимальная продольная напряженность электрического поля на оси устройства. Диаметр иглы максимальная продольная напряженность электрического поля на оси устройства. Диаметр иглы может быть различным (в пределах 0,5÷0,6 мм для обеспечения жесткости установки), но радиус округления острия иглы должен быть в пределах 30÷40 мкм. При превышении радиуса округления острия возможно возникновение нескольких струй газа из-за неустойчивости разряда, а уменьшение радиуса приводит к перегреву острия и его быстрому повреждению плазмохимическим процессами. Поэтому игла должна быть изготовлена из химически стойкого материала.The corona electrode (“needle”) 4 is fixed on a cylindrical (tubular) insulator so that a section with a needle tip having a length along the device axis h = (2 ÷ 3) D is installed strictly on the axis of the tubular insulator — coaxially. The optimal distance from the tip of the tip to the plane of the PPM ring provides the maximum jet velocity and corresponds to the condition H = (0.4 ÷ 0.6) D, because with such a magnitude of the discharge gap, a maximum longitudinal electric field strength is created on the axis of the device. The diameter of the needle is the maximum longitudinal electric field strength on the axis of the device. The diameter of the needle can be different (within 0.5 ÷ 0.6 mm to ensure rigidity of the installation), but the radius of rounding of the tip of the needle should be within 30 ÷ 40 microns. If the radius of rounding of the tip is exceeded, several jets of gas may occur due to the instability of the discharge, and a decrease in the radius leads to overheating of the tip and its rapid damage by plasma-chemical processes. Therefore, the needle should be made of chemically resistant material.

Электрод 3 в виде металлической пластины и игла 4 соединяются с высоковольтным блоком питания (БП, напряжение до 5 кВ), причем, коронирующий электрод («игла») может соединяться с выводом любой полярности. Отметим, однако, что в случае положительного КР (на «игле» - плюс) электрический ветер («ионный ветер») сильнее в 3÷4 раза по сравнению с отрицательным КР (на «игле» - минус). Это различие объясняется тем, что в положительном КР основными носителями заряда являются ионы кислорода и азота, а в отрицательном КР - электроны, не успевшие прилипнуть к кислороду при малых разрядных промежутках. Таким образом, сечение столкновений заряженных частиц с нейтральными будет различается в случае КР различной полярности.The electrode 3 in the form of a metal plate and the needle 4 are connected to a high-voltage power supply unit (PSU, voltage up to 5 kV), moreover, the corona electrode (“needle”) can be connected to a terminal of any polarity. We note, however, that in the case of positive Raman scattering (on the “needle” - plus), the electric wind (“ionic wind”) is 3–4 times stronger than a negative Raman scattering (on the “needle” - minus). This difference is explained by the fact that in positive Raman scattering, the main charge carriers are oxygen and nitrogen ions, and in negative Raman scattering are electrons that have not had time to adhere to oxygen at small discharge gaps. Thus, the cross section for collisions of charged particles with neutral particles will differ in the case of Raman scattering of different polarity.

Экспериментальные сравнительные характеристики электрического ветра («ионного ветра») на оси устройства для отрицательного и положительного КР и их вольтамперные характеристики (ВАХ) приведены на фиг.2 для диаметра D=5 мм, l=D, L=5D, Н=2,5 мм, h=5 мм, радиус округления острия иглы R=40 мкм.The experimental comparative characteristics of the electric wind ("ionic wind") on the axis of the device for negative and positive Raman scattering and their current-voltage characteristics (CVC) are shown in figure 2 for the diameter D = 5 mm, l = D, L = 5D, H = 2, 5 mm, h = 5 mm, rounding radius of the needle tip R = 40 μm.

Слой из ППМ и цилиндрический трубчатый изолятор имеют толщину 1,5 мм. Удельное сопротивление материала слоя ρ=2·10⁴ Ом·м.The PPM layer and the cylindrical tubular insulator have a thickness of 1.5 mm. The specific resistance of the layer material is ρ = 2 · 10 ⁴ Ohm · m.

Электрический ветер измеряется трубкой Пито с рабочим диаметром d=0,8 мм, соединенной с калиброванным датчиком давления Honeywell DCXL01DCS (максимальное давление 250 Па). Трубка Пито, установленная на столе, обеспечивающем микроперемещения по двум координатам вдоль и поперек оси, ориентирована строго по оси устройства с приемным отверстием на расстоянии x=1 мм от выходного сечения устройства. Распределение скорости газа по сечению струи неравномерно. Оно плавно уменьшается по радиусу и равно нулю на радиусе R=D/2.Electric wind is measured by a Pitot tube with a working diameter of d = 0.8 mm, connected to a calibrated Honeywell DCXL01DCS pressure sensor (maximum pressure 250 Pa). A pitot tube mounted on a table providing micromovement along two coordinates along and across the axis is oriented strictly along the axis of the device with a receiving hole at a distance x = 1 mm from the output section of the device. The distribution of gas velocity over the jet cross section is uneven. It smoothly decreases along the radius and is equal to zero at the radius R = D / 2.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает по сравнению с аналогичными охлаждающими устройствами создание устойчивой охлаждающей струи газа с малым диаметром (узконаправленную струю), что дает возможность повысить качество приборов и аппаратов, относящихся к области микроэлектроники, и тем самым получить значительный экономический эффект.The proposed technical solution provides, in comparison with similar cooling devices, the creation of a stable cooling jet of gas with a small diameter (narrow jet), which makes it possible to improve the quality of devices and apparatus belonging to the field of microelectronics, and thereby obtain a significant economic effect.

Литература.Literature.

1) M.Robinson, Movement of air in the electric wind of corona discharge. AIEE Trans, v.80, pp 143-150, 1961.1) M. Robinson, Movement of air in the electric wind of corona discharge. AIEE Trans, v. 80, pp 143-150, 1961.

2) Б.А.Козлов, В.И.Соловьев, Исследование «электрического ветра» в электродных системах с коронирующими остриями. ЖТФ, 2007, том 77, вып.7, стр.70-76.2) B.A. Kozlov, V.I. Soloviev, Study of the "electric wind" in electrode systems with corona tips. ZhTF, 2007, Volume 77, Issue 7, pp. 70-76.

3) «Тепло: холодильники или ветер» В мире науки, №3. 2010, стр.74.3) “Heat: refrigerators or wind” In the world of science, No. 3. 2010, p. 74.

4) Патент РФ на полезную модель №99904, выдан 27.11.2010 г.4) RF patent for utility model No. 99904, issued November 27, 2010.

5) В.Климашин, В.Никифоров, А.Софронов, В.Казаков; Новые области применения пьезотрансформаторов. Компоненты и технологии, №1, 2004, стр.36-40.5) V. Klimashin, V. Nikiforov, A. Sofronov, V. Kazakov; New applications of piezotransformers. Components and Technologies, No. 1, 2004, pp. 36-40.

Claims (2)

1. Портативное охлаждающее устройство с использованием «ионного ветра» в коронном разряде, содержащее коронирующий электрод в виде иглы и некоронирующий электрод в виде металлической пластины кольцевой формы, соединенные с источником высокого напряжения, отличающееся тем, что некоронирующий электрод дополнительно содержит слой плохопроводящего материала на внутренней поверхности кольца, установленного на торце трубчатого изолятора, при этом коронирующий, некоронирующий электроды и трубчатый изолятор расположены между собой соосно, причем внутренний диаметр трубчатого изолятора и внутренний диметр слоя плохопроводящего материала имеют одинаковый размер в диапазоне значений D=1,5-5,0 мм, при этом межэлектродное расстояние H соответствует условию H=(0,4-0,6)D.1. A portable cooling device using an “ion wind” in a corona discharge containing a corona electrode in the form of a needle and a non-corona electrode in the form of a ring-shaped metal plate connected to a high voltage source, characterized in that the non-corona electrode further comprises a layer of poorly conducting material on the inner the surface of the ring mounted on the end of the tubular insulator, while the corona, non-corona electrodes and the tubular insulator are located coaxially moreover, the inner diameter of the tubular insulator and the inner diameter of the layer of poorly conductive material have the same size in the range of values D = 1.5-5.0 mm, while the interelectrode distance H corresponds to the condition H = (0.4-0.6) D. 2. Портативное охлаждающее устройство с использованием «ионного ветра» в коронном разряде по п.1, отличающееся тем, что радиус острия иглы коронирующего электрода равен R=40-50 мкм.

2. A portable cooling device using an "ionic wind" in a corona discharge according to claim 1, characterized in that the radius of the tip of the needle of the corona electrode is R = 40-50 μm.