Портативное охлаждающее устройство с использованием "ионного ветра" в коронном разряде
Портативное охлаждающее устройство с использованием «ионного ветра» в коронном разряде относится к технической физике, в частности к аппаратам электронно-ионной технологии. Устройство может быть использовано в системах охлаждения приборов в области микроэлектроники или других малогабаритных объектов., где требуется применение узконаправленной струи газа. Создание требуемой струи газа обеспечивается в устройстве за счет использования эффекта «ионного ветра» в коронном разряде. 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 состоящего из коронирующего электрода в форме иглы и некоронирующего электрода, представляющего собой кольцевую металлическую пластину с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоя из плохо проводящего материала (ППМ). 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.
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.
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.
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.
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.
Известно устройство (US 2008197779), предназначенное для охлаждения приборов, выполненное в виде «ионного генератора ветра» на основе образования коронного разряда между электродами.
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.
Недостатком данных устройств является низкая эффективность охлаждения.
Технический результат полезной модели: повышение интенсивности охлаждения.
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.
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).
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.
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»).
Противоположный торец изолятора должен быть открыт, чтобы обеспечить поступление газа в зону разряда без возникновения возвратного течения в области формирования электрического ветра.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 приведен поперечный разрез устройства, где:
1 - цилиндрический трубчатый изолятор;
2 - кольцевой слой из плохо проводящего материала (ППМ);
3 - кольцевой металлический электрод;
4 - электрод «игла»;
D - внутренний диаметр изолятора и кольца из ППМ;
Н - размер разрядного промежутка (от кончика иглы до торцевой поверхности слоя ППМ);
БП - блок питания (напряжение до 5 кВ);
h - участок иглы с острием, параллельный оси устройства;
l - длина кольца;
L - длина цилиндрического трубчатого электрода.
На фиг.2 приведены экспериментальные сравнительные характеристики электрического ветра («ионного ветра»).
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 
=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.
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.
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.
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.
Слой из ППМ и цилиндрический трубчатый изолятор имеют толщину 1,5 мм. Удельное сопротивление материала слоя =2·104 Ом·м.
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.
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.
Литература.
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.
3) «Тепло: холодильники или ветер» В мире науки, 
3. 2010, стр.74.
4) Патент РФ на полезную модель 99904, выдан 27.11.2010 г.
5) В.Климашин, В.Никифоров, А.Софронов, В.Казаков; Новые области применения пьезотрансформаторов. Компоненты и технологии, 1, 2004, стр.36-40.
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.
