生成自由電荷、臭氧以及光的高能效等離子體過程的制作方法

文檔序號:19792824發布日期:2020-01-24 14:41
生成自由電荷、臭氧以及光的高能效等離子體過程的制作方法

相關申請

本申請要求2017年4月28日提交的美國臨時專利申請第62/492,103號、2017年6月28日提交的美國臨時專利申請第62/525,749號、2017年9月5日提交的美國臨時專利申請第62/554,552號以及2017年10月22日提交的美國臨時專利申請第62/575,503號的優先權和權益。以上申請的公開內容通過引用以其全部內容結合于此。

本發明的實施例總體上涉及電流、臭氧和光生成領域。



背景技術:

地球處于全球變暖的威脅之下,并且由此產生的氣候變化正以頻繁或大規模的風暴、野火、土地淹沒在水下以及有用水源的融化威脅著人類。全球變暖被認為是由源于化石燃料燃燒的二氧化碳(co2)排放導致的,利用化石燃料燃燒產生了世界超過60%的能量。為了保護環境,正在不斷尋求新的非二氧化碳排放能源、綠色能源、或可再生能源。風能、水能以及核能是正在尋求的可再生能源的示例。

水資源短缺也是挑戰性的問題,這不僅是由于全球變暖,而且是由于諸如加利福尼亞或非洲之類的某些區域中的干燥天氣。對已使用的或污染的水的高效循環利用將有助于解決水資源短缺問題。然而,已經知曉例如當在游泳池中使用時,對已使用的或污染的水進行化學處理引起皮膚刺激。此外,例如當用于飲用水時,此類經處理的水通常有令人不愉快的氣味。臭氧水處理已被認為是一種優越的水處理工藝,但臭氧生產的能源成本很高。

閃電系統的發光效率已經從燈泡的2%提高到熒光燈或發光二極管(led)的20%。led技術的最新發展和成本降低已經取代了常規的燈泡或熒光燈。然而,仍尋求更高的能量效率。此外,led當前利用有毒的化學外延生長工藝來制造,該工藝是不期望的。led的小尺寸也不適合用于可以給予同弱廣泛區域發射相同的總光輸出的廣泛區域發光。此種廣泛區域發射對于防止強烈的小區域發射期間人眼中的無意識失明尤其有用。

附圖說明

從以下給出的詳細描述并從各實施例的附圖,將更全面地理解本公開,然而不應當采取這些詳細描述和附圖來限制本文中所描述和所圖示出的實施例,而是僅用于解釋和理解。

圖1圖示出具有dc電源的經涂敷的雙介質阻擋放電(cddbd)系統的一個實施例。

圖2圖示出處于高于paschen放電閾值的圖1中的cddbd系統,該cddbd系統引起電荷生成和光發射。

圖3圖示出處于高于paschen放電閾值的具有ac電源的cddbd系統,該具有ac電源的cddbd系統引起重復的電荷生成和光發射。

圖4圖示出當宇宙射線使cddbd系統內的氣體分子電離時的圖1中的cddbd系統。

圖5圖示出處于其中在cddbd系統內發生電荷倍增的階段的圖1中的cddbd系統。

圖6a圖示出包括具有孔的平面cddbd系統的電流源的一個實施例的側視圖。

圖6b圖示出包括具有孔的平面cddbd系統的電流源的一個實施例的俯視圖。

圖7a圖示出包括導線陣列的cddbd系統的電流源的另一實施例的側視圖。

圖7b圖示出包括導線陣列的cddbd系統的電流源的另一實施例的俯視圖。

圖8a圖示出cddbd系統(等離子體管狀射流,包括具有外部管狀電極的絕緣管)的電流源的另一實施例。

圖8b圖示出相反的電源極性下的圖8a。

圖9圖示出使用cddbd系統的電流源的一個實施例,在該實施例中利用由第三電極建立的電場來提取電荷。

圖10圖示出具有第三電極以用于使用電場進行更高效的電荷提取的等離子體管狀射流。

圖11圖示出使用圖1中所描述的平面cddbd系統的風能采集器的一個實施例。

圖12圖示出使用圖7a和圖7b中所描述的導線式cddbd系統的風能采集器的一個實施例。

圖13圖示出電極之間的電壓差、不存在paschen放電情況下涂層之間的電壓差、存在paschen放電時涂層之間的電壓差、以及所生成的電荷。

圖14圖示出具有示例性埋入式電極的cddbd系統的一個實施例。

圖15圖示出由cddbd系統構成的高能效熒光燈的一個實施例。

圖16圖示出由cddbd系統構成的高能效大面積熒光燈的另一實施例。

圖17圖示出由半導體電極構成的無鎮流器的熒光燈的一個實施例。

圖18圖示出由cddbd系統構成的高能效臭氧生成器的一個實施例。

圖19圖示出由cddbd系統構成的串聯的高能效臭氧生成器的另一個實施例。

具體實施方式

在以下描述中,闡述了眾多細節。然而,對于具有本公開的益處的本領域普通技術人員將顯而易見的是,可在不具有這些具體細節中情況下實施各實施例。在一些實例中,公知的結構和設備以框圖形式而非詳細示出,以避免使本文中所描述的實施例模糊。

理想的電容器是電路的不消耗能量的電抗組件??梢灾谱骶哂袃蓚€電極的電容器,其中,每個電極覆蓋有絕緣體或以絕緣體掩埋并且在氣體系統中被隔開。如果向電容器施加交流電(ac)電壓,則除了不希望的電源損耗之外不存在功耗。如果所施加的ac電源高于paschen閾值,則在間隙中形成等離子體,但它在電學上仍然是具有較高電容的電容器。由于沒有電荷穿過覆蓋電極的絕緣體,因此不消耗功率。等離子體作用得到的產物是空氣中的電荷、光發射以及自由基形成。如本文中更詳細地討論,這些副產物可以被用來制作諸如電流源、高能效光發射器、以及高能效臭氧生成器之類的系統。

本發明的實施例描述了通過使用經涂敷的雙介質阻擋放電系統(cddbd)的電流源、光源、以及臭氧生成器的形成。在實施例中,cddbd系統是具有絕緣體覆蓋的電極并且在其間具有空氣系統的電容器。利用非耗散絕緣體,除電源中不希望的功率損耗之外,此類系統不消耗ac功率。在ac電壓振幅高于paschen擊穿電壓的情況下,發生氣載電荷和光發射而沒有附加的功耗,但是這是轉化電場能量的結果。利用高度高效的電源或發電機,凈能量生成可以為正,其中,凈能量由自由電荷和/或光發射組成。

從物理學角度來看,宇宙射線觸發氣體的電離并且在高電場下發生電荷倍增。這是如何形成等離子體。宇宙射線是高能量(在十億電子伏特的范圍內)輻射,主要起源于太陽系之外,并且甚至來自于遙遠的星系。宇宙射線主要由質子、原子核以及高能孤電子組成。宇宙射線是從宇宙發出的,這是自由的,但是隨后的電荷倍增過程涉及電場能量的轉化以進行電離和光發射。

在本文中所描述的實施例中,放電系統中所生成的電荷可以經由電極幾何形狀被釋放,以便實現連續的電流源。在一個實施例中,可以有效地使用風能來增強電荷從放電系統的釋放,并且因而此類系統變成了一種風能到電能轉化器。在另一實施例中,等離子體內產生的自由基使得系統成為利用氧氣注入的高能效臭氧生成器。在又一實施例中,來自該系統的光發射可以被用作高能效的發光系統。如本文中所討論,本發明的實施例可以應用于諸如電功率生成器、光生成器以及臭氧生成器之類的許多領域。

如下文更詳細地描述,本發明的實施例將描述功率生成器、光生成器以及臭氧生成器的實施例。作為功率生成器,例如,本發明的實施例可以用于電源、電池充電器、電流源、以及在與轉化風能結合使用的情況下的風能采集器。作為光生成器,例如,本發明的實施例可以被用作高能效或低成本的熒光燈。作為臭氧生成器,例如,本發明的實施例與可以被用作病原體殺滅器的高能效臭氧生成器有關,其在水處理、食品加工和織物加工中具有有用的應用。

經涂敷的介質阻擋放電系統

將參照圖1至5描述本發明的操作原理和第一實施例。圖1示出了經涂敷的雙介質阻擋放電(cddbd)系統10,其中,電極11覆蓋有絕緣體12,在該絕緣體12上涂布特殊涂層13,電極11在氣體15內以間隙14分隔。電源16耦合至cddbd系統。cddbd系統10在電學上是具有兩種絕緣材料(絕緣體12和間隙中的氣體15)的電容器。當由電源16施加電壓時,電荷朝向電極移動并建立電場18。只要絕緣體12具有非常高的電阻率,就不存在電荷耗散并且不存在功耗。

如果跨空氣的電壓高于paschen閾值,則發生空氣擊穿。paschen擊穿引起如圖2中所示的電荷生成21以及光發射22。在該過程中生成的電荷行進至具有相反符號的電極并且形成與電場18相反的電場23,并且因此使更多電荷24流入電極中,以便滿足電極處的電壓邊界條件。然而,仍然沒有電荷穿過電同期并且沒有功率被消耗。所生成的電荷和光并非被創建,而是從原始的電場能量17轉化而來,并且因此滿足能耗。從電路的角度來看,電容值已經改變,并且因此,更多的電荷被發送至電極以滿足v=q/c=q’/c’,其中,c是擊穿之前的電容并且c’是擊穿之后的電容。

在實施例中,在cddbd中使用的絕緣體12的材料是高度電阻性的,以使得來自電極11的電荷泄漏通過到氣體介質。絕緣體材料12還具有高介電強度,以使得該材料在cddbd系統中使用的電場下不會被電擊穿。例如,絕緣體12的材料具有高于1017ω·cm的電阻率和高于15mv/m的介電強度,該材料諸如石英、陶瓷、玻璃、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、或聚對苯二甲酸乙二酯(pet)。

所描述的cddbd系統中的氣體介質15可以是空氣,其包括但其并且處于一個大氣壓下。cddbd系統還可以被構造為封閉式系統,其中,氣體介質15是諸如處于低于一個大氣壓下的氬氣或氦氣之類的內部氣體系統。

如果如圖3中所示地施加ac電壓31,則發生電荷生成21和光發射22的連續操作。隨著極性改變,paschen閾值由于殘余電荷而改變并且新生成的電荷的位置翻轉。然而,在每個周期中,發生新的電荷生成21和光發射22。從電路的角度來看,其仍然是電容電路并且在cddbd系統處仍然不存在功耗。如果恰當的涂層13被施加在絕緣體上,則可以增強電荷生成和光發射。該涂層是具有高二次電子發射系數的材料,諸如,堿金屬銻化物、氧化鈹(beo)、氧化鎂(mgo)、磷化鎵(gap)、磷化砷化鎵(gaasp)、氧化鉛(pbo)、鎢(w)或鉬(mo)。涂層材料還可以是用于光電倍增器的陰極材料,其中,一個電子碰撞產生許多電子。隨后,該ac驅動的cddbd系統中生成的凈能量將是所生成的電荷和光發射的總能量減去電源系統中發生的損耗。此處,等離子體被限制為冷等離子體,其中,在等離子體區域中不存在焦耳加熱。等離子體的強度也可能受電極11材料的導電性控制。流光(streamer)是通常在大氣壓等離子體系統中發生的高強度絲狀放電。流光由于從電極11處的自由電荷的電場增強的正反饋而發生??梢酝ㄟ^控制電極11處的自由電荷密度來控制流光強度。例如,與具有~106ω·cm電阻率的典型材料相比,通過使用具有電阻率~106ω·cm的半導體材料,使自由電荷減少了10個數量級。

在本文中所討論的實施例中,在本發明的實施例中所描述的等離子體工藝采集宇宙射線的能量并隨后將電場能量轉化為自由電荷和光。不像常規系統,由如圖4中所示出的宇宙射線41點燃等離子體。典型的空氣分子電離能大約為10-20ev,例如,對于氮氣分子為15ev。通過單從高壓電源施加典型電場無法實現電離。宇宙射線41的90%具有十億電子伏特(gev)的能量,并且它們中的90%是質子。因此,宇宙射線41具有使氣體分子電離的足夠高的能量。十億電子伏特宇宙射線41在途中使一個或兩個氣體分子電離并且繼續前進。因此,最初的15ev的能量不受宇宙約束。

圖4描述了宇宙射線電離過程。如果在不存在電場的情況下發生宇宙射線誘導的電離,則正離子42和電子43不會具有很大的動能,并且它們甚至將重新組合。然而,如果電離在電場內發生,則正離子42和電子43將被掃過到相反的方向上。此時,此電子和正離子具有根據配置的勢能。組合勢能為ee·g,其中,e是電荷,e是電場,并且g是間隙14。例如,比如說在等離子體區域中,電場為9v/um并且間隙為100um。如果電離在接近負電極處發生,則電極將加速進入正電極。該電子的勢能為e·e·g=e·(9v/um)·(100um)=900ev。如果電離在等離子體區域的中心處發生,則電子具有450ev的勢能并且正離子具有450ev的勢能。如果電離在接近正電極處發生,則正離子具有900ev并且電子不具有勢能。平均而言,或通過統計,該等離子體區域中的平均電子勢能為450ev。如果周圍不存在空氣分子,則電子將獲得其速度并且450ev的勢能將被轉化為動能。當氣體分子處于周圍時,電子將與空氣分子相撞,并且如果動能足夠高,則其將電離另一空氣分子等等。這是如圖5中所示的碰撞電離過程或雪崩式過程。由于氮氣電離能為15ev,因此450ev的勢能可以通過碰撞電離過程產生30個自由電子和正離子。因此,此時我們從來自宇宙射線和電場的電離過程得到30個自由電子52和正離子51、以及光,其中,使場能減少了與29個電子和正離子、以及光發射對應的精確量。

電荷、正離子51和電子52的移除將恢復原始電場能并且過程繼續。利用有效的電極幾何形狀以及風能可以使得電荷的移除成為可能,這將在下一章節中描述。具有連續釋放的電荷的cddbd系統是電流源,并且因此此類系統是電功率生成器。

來自經涂敷的雙介質阻擋放電(cddbd)系統的電流源

圖6-圖9中所描述的本發明的第二、第三、第四和第五實施例是被配置成使得氣載電荷可以逸出cddbd系統的cddbd系統的各版本。釋放的電荷可以被捕獲并且被用來直接驅動電子設備或被存儲在諸如電池之類的電存儲系統中。圖6a和6b圖示出圖1-5中所描述的實施例的、尤其針對電荷逸出設計的變型。在每個電極/絕緣體/涂層組裝件上制作孔63。圖6a是該實施例的側視圖61,并且圖6b是該實施例的俯視圖62。電場64延伸出每個電極組裝件之外,并且因此電子65和正離子66能夠從cddbd系統向外逸出。逸出的電荷可以被收集以驅動電子設備,或者將被存儲在諸如電池之類的電存儲設備處。如果電荷全部被清空,則圖1中的原始電場可被恢復,而無需使用任何來自電源的電荷,并且因此無需使用任何能量。因此,可持續的電荷供給(即,電流供給)是可能的。然而,圖6a中的一些電荷67將無法逸出,因為它們不接近孔63。圖6a和圖6b中所描述的實施例可能不是最高效的電流源,但為了解釋原理而在此處提及,與圖1-圖5中所描述的前文的實施例沒有太大偏離。

圖7a和圖7b中所描述的本發明的第三實施例是電流源的另一版本。圖7a是該實施例的側視圖71,并且圖7b是該實施例的俯視圖72。以導線73的形狀來制作電極/絕緣體/涂層組裝件,其中,最內部是電極73a,中間部分是絕緣體73b,并且最外部是具有高二次電子發射系數的涂層73c。頂部和底部電極區域由導線陣列74a、74b制成,并且在這兩個導線陣列74a、74b之間形成電場78。電場78延伸出導線陣列74a、74b之外,并且在頂部陣列74a與底部陣列74b之間生成的電荷77a、77b可以通過導線之間的間隔逸出。導線76之間的空間顯著大于導線直徑75,并且因此逸出效率大于圖6中具有含孔63的平面電極11、12、13的實施例。當前實施例是從cddbd系統優化的電流源或電流生成器,其中,除不希望的電源損耗之外,不消耗來自電源的功率。因此,凈輸出功率為自由電荷減去不希望的電源損耗。

圖8a和圖8b中所描述的本發明的第四實施例是被優化為電流源(即被優化以使得電荷可以容易地從cddbd系統逸出)的cddbd系統的另一版本。圖8a和圖8b中所描述的實施例是等離子體管狀射流81,該等離子體管狀射流81由電絕緣管82組成,該電絕緣管82的內表面85涂敷有高二次電子發射系數材料并且在該管的外徑處構造兩個管狀電極。電絕緣管82可以由例如石英、陶瓷、玻璃、聚酰亞胺、聚四氟乙烯或聚對苯二甲酸乙二酯(pet)中的一者制成。利用與cddbd系統的第一實施例的章節中描述的相同的原理,在管內部形成等離子體或電荷倍增。從電源被帶至管狀電極83、84的電荷決不穿過絕緣管,并且因此除電源內不希望的損耗之外不消耗來自電源的功率。管內的電場88a、88b延伸超過管狀電極的長度,并且因此電荷獲得沿軸向軸的大量動能并且因此能夠從管86、87逸出。對于正離子,電荷的速度可以達到高達1km/s,并且對于電子,電荷的速度可以達到高達200km/s??梢栽诘入x子體管狀射流81外部的電極處收集逸出電荷86、87,并且這些逸出電荷86、87可以被用作儀器的電流源或被存儲在電存儲處。圖8a和圖8b圖示出具有ac電源情況下的該實施例。圖8a圖示出尤其右側電極84比左側電極83處于更高的正電壓下的情況。圖8a中的電場88a因此朝向向左方向,并且正離子87a從左側的開口逸出且電子86a從右側的開口逸出。圖8b圖示出尤其右側電極84比左側電極83處于更高的負電壓下的情況。圖8b中的電場88b因此朝向向右方向,并且正離子87b從右側的開口逸出且電子86b從左側的開口逸出。

圖9中圖示出可以被用作電流源的本發明的第五實施例。圖9中所描述的實施例是離子射流,其中,等離子體區域15內的電荷94、95由電場93提取出,該電場93由第三電極91建立。緊鄰利用ac電源16對其進行操作的cddbd系統10,附加電極91被放置有一定間隙,并且電極91被另一dc電源92偏置,以使得在第三電極91與前兩個電極17的平均電壓之間具有固定的電壓差。如果在第三電極91與前兩個電極17的平均電壓之間存在足夠的電勢差,則由庫侖力從cddbd系統的等離子體區域15朝向第三電極提取出電荷94、95。圖9描述了具有平面cddbd系統10的離子射流,但是只要cddbd系統被放置成緊鄰第三電極以有效地形成強電場來提取電荷,則可以替代地使用任何cddbd系統,例如,圖6-圖8中所描述的cddbd系統。

圖10中圖示出可以被用作電流源的本發明的第六實施例。圖10中所描述的實施例是在具有處于不同電勢下的附加電極的電場的幫助下提取出cddbd系統內的電荷的另一實施例,但該實施例在圖8a和圖8b中所描述的等離子體管狀射流81的框架下。在圖10中所描述的新的等離子體管狀設備101中,以與前兩個電極83、84相同的方式、但在電極84與管104的、電荷被排出處所在的端部之間構造第三電極102。第三電極102連接至dc偏置移電源103,第三電極102的電壓相對于第二電極84的電壓恒定并且不同于第二電極84的電壓,這通常被描述為具有dc偏置。例如,在圖10中,設置偏置電源103的極性以使得第三電極電壓比第二電極84更正。第二電極84與第三電極102之間的電場105對電子施加庫侖力并且進一步從第一電極83與第二電極84之間建立的等離子體提取電子106。在具有第三電極102的情況下,與圖8a和圖8b中不具有第三電極的管狀射流的88a、88b相比電場105可以進一步更被拉直。因為dc偏置電源103的極性是固定的,因此圖10中所描述的等離子體管狀射流101相對于其他而優選一種電荷。例如,在圖10中,優選電荷是電子106。第二電極84與第三電極102之間的電場105不高于paschen閾值,并且因此在該區域中沒有新電荷生成。電場105僅用于高效的電荷提取。

風能采集器

cddbd系統可以被用作風能采集器。圖6-圖10中所描述的本發明的實施例具有專門針對容易的電荷逸出的電極設計。利用使得電場延伸出具有用于電荷逸出的孔或管的主要等離子體區域的專門的電極設計,電荷逸出是可能的。然而,由于阻礙要素,電荷可能粘附到這些阻礙要素,效率可能不高??梢酝ㄟ^利用空氣流或風吹動電荷來提高電荷提取效率。正離子和電子是氣載的并且利用空氣流動來移動。因此,風或氣流可以有助于將電荷從cddbd系統向外移動,以使得這些電荷是自由的從而被用作電能源。在該過程中,風釋放束縛于cddbd電勢的電荷。盡可能多的電荷獲得電勢能以從cddbd束縛勢被釋放,風根據能量守恒定律損失其動能。因此,所利用的cddbd系統的該實施例被稱為風能采集器。

圖11中圖示出被配置成用于使用cddbd系統進行風能采集的本發明的實施例。在該實施例中,正離子112從cddbd系統被吹離113并且被收集在下游中116。這是因為正離子112保持在空氣中比電子111更久。在大氣放電系統中,碰撞電離增益很高,并且放電通常形成流光。流光中的電子111通常在100納秒內到達正電極,而正離子花費幾毫秒到達負電極。因此,收集正離子112比收集電子111更容易??梢酝ㄟ^放置到地面的擊穿路徑從內涂層逸出電子111??梢詫⒔拥氐慕饘偬结?14放置成接近內涂層而不與該內涂層接觸,以使得不論涂層何時達到高于無電荷的值的電勢,涂層與探針之間的空氣擊穿115。該種類的設置將確保清空沉積在涂層上的任何電子111。在100納秒內,電子111將不存在,并且留下的正電荷112可以由風吹離113。從cddbd系統被吹離的正離子可以由電極116收集并且被用作電流源或被存儲在電存儲系統中。

圖12中示出被配置成用于使用cddbd系統進行風能采集的本發明的另一實施例。代替于由平面電極組裝件的11、12、13形成的等離子體區域15的通道,兩個線形電極組裝件73的幾何形狀使得電荷更容易接近。每個線形電極組裝件73由芯電極73a、絕緣體73b、以及具有高二次電子發射材料的涂層73c組成。電子123在100納秒內橫跨等離子體氣體區域15,并且正離子124仍然在等離子體氣體區域15內持續大約幾微秒。正離子124對于風125更易接近以吹出。

在圖12中所描述的該實施例中,ac電源連接至導線的中心。因為極性周期性地改變,因此沉積在導線涂層73c上的電子在每次極性改變時被重置或移除。因此,相較于圖11中所描述的利用dc電源的實施例,圖12中所描述的實施例中不需要到地面的路徑。利用ac電源,連續的電荷生成以及由風對電荷的吹離是可能的。在每半個周期時,新的電荷生成被發起。圖13針對每個周期逐步描述了電壓和電荷生成。曲線131是兩個芯電極73a之間的電壓差,曲線132是沒有paschen放電的情況下兩個外涂層73c在其最接近點處的間隙電壓,并且曲線133是在發生paschen放電的情況下外涂層73c在其最接近點處的間隙電壓。通過paschen擊穿,曲線133被限制到當前氣體系統15的paschen閾值135。當曲線132在時間136a處大于paschen擊穿閾值135時,paschen擊穿開始。曲線134是開始于時間136a的電荷生成的曲線。電荷生成繼續,直到芯電極73a處的電壓131在時間137a處停止增加。此時,生成最大數量的正離子124和電子123。電子123最可能附連至外涂層73c中的一個外涂層73c,但正離子124仍然在空氣中飄浮幾毫秒。在時間138a處,間隙電壓133為零,并且此時,正電荷124至少束縛于cddbd電勢并且容易地由風從系統吹出。具有ac電源有在正離子至少束縛于cddbd電勢時繼續電荷生成過程以及零交叉點的優勢。過程以芯電壓131擺動至另一極性來繼續。因為空間電荷電子123和正電荷124沒有從cddbd系統被清除,paschen擊穿在比時間136c更早的時間136b處發生,其中,精確的paschen閾值通過外部電源發生。電荷生成在相反方向上繼續,直到芯電壓131不再增加所在的時間137b。當芯電壓131擺動回到原始極性時,間隔電壓133在時間138b處跨過另一個零,在時間138b處,正離子124至少束縛于cddbd系統的電勢。并且過程以原始極性繼續進行。由于來自先前的半個周期的空間電荷,paschen擊穿比第一個周期更早發生。

圖12中所描述的具有ac電源的實施例除不希望的電源損耗外不消耗功率,因為沒有電荷穿過復合導線73內的絕緣體73b。因此,圖12中所描述的具有ac電源的實施例是以風能為代價的連續的電流生成器。因此,圖12中所描述的實施例是將風能轉化為電能的風能采集器。利用如圖6-圖10中的實施例所描述的cddbd系統,連續的電流源是可能的,其中,風增加了電荷提取效率。

埋入式電極

在本發明中所描述的所有實施例中,暴露于氣體介質的電極可能需要以被封閉在絕緣體內的電極(所謂的埋入式電極)來代替。圖14中描述了埋入式電極的示例。在圖1中所描述的cddbd系統中,電極11暴露于氣體介質。在高電場下,在電極11與涂層13之間電極11和涂層13兩者均暴露于氣體介質之處所在的邊緣處可能發生paschen氣體擊穿,這與絕緣體12的目的相反。這尤其可能在大量電荷沉積在涂層13上時發生。隨后,涂層13與電極11之間的電場可能超出氣體系統的paschen閾值,并且電極11與涂層13之間在邊緣處可能發生不希望的短路。為了防止此種不希望的場景,如圖14中所示,電極141被埋入在絕緣體142內。

熒光

本發明的另一實施例是高能效的熒光燈。早先描述的cddbd系統通過碰撞電離過程實現了電荷倍增過程。在碰撞電離過程其間,光子被發射。光子被發射是因為在雪崩式過程中生成了激發態的分子,這些激發態的分子最后通過發射光子而衰減到基態。獲得光子能,該光子能僅是初始電勢能的部分。如果向電極施加ac功率,則可以持續重復該過程。圖15中描述了高能效熒光燈的第一實施例。cddbd系統被構造在包含氣體系統155的玻璃管154內。氣體系統155是在當前熒光燈中使用的典型氣體系統,諸如帶有氬氣、氙氣、氖氣和氪氣的低壓汞蒸氣。玻璃管154的內表面涂敷有用于uv到可見光轉化的熒光材料。因為電極151覆蓋有絕緣體152,因此在放電區域155與電源系統31之間不存在電荷交換。該電路類似于雙電容器系統,該雙容器系統具有作為兩個電容器之間的“類電阻器”元件的氣體。因此,如果存在任何功耗,則功耗將來自于“類電阻器”組件。然而,該“類電阻器”組件不是具有歐姆損耗的真正的電阻器,因為放電過程是冷過程,不存在焦耳散熱。光子發射也不產生焦耳熱。僅有的功耗來自于電源或功率變壓器內不希望的電阻組件。

每個電極151由以絕緣材料152完全纏繞的電極組成。在每個絕緣體的頂部,涂層153被施加有高二次發射系數的材料,諸如,ni、w、mo、beo、mgo、gap、gaasp、si、pbo、以及具有高二次發射系數的其他材料。如果足夠高的ac電壓被施加在兩個電極之間,則電場升高到足以使管內的低壓氣體發生電擊穿。被掩埋在絕緣體內部的電極151材料可以是具有各種導電性的材料,包括半導體。半導體材料包括硅、al2o3:tio2-x混合物、sic、鍺、鎵化合物、聚合物半導體或具有離子導電劑的聚合物。該材料的導電性限制碰撞電離過程中的增益,并且因此控制流光的強度。對增益的控制可以抑制可能損壞電極的電弧放電。碰撞電離增益因子也是空氣間隙和壓力的函數,并且因此,電極材料的到線形可以根據管的間隙和空氣壓力而有所不同。具有半導體電極移除了對當前熒光燈中使用的鎮流器的需要。需要當前熒光燈中的鎮流器來控制電流,在不具有鎮流器的情況下,由于燈電氣系統中的負差分電阻,電流是不可控的。半導體電極通過控制自由電荷的數量,將放電管的電流控制和限制在一個更基本的水平上,這可以增強用于流光生成的電場,并在電極處形成正反饋系統電場和電荷。

鎮流器的缺失可能要求電極之間比常規熒光燈更短的間隙,以用于合理的碰撞電離增益控制。典型地,如果間隙在一個大氣壓下小于100um,則均勻放電是可能的。熒光燈處的典型壓力是0.3%的大氣壓。因此,這可被轉化為30cm的最小間隙。對于電極之間給定的間隙限制,對于合理的光發射可能需要廣泛區域電極。

廣泛區域燈是有用的,以便保護眼睛免受由于集中式點光源發光系統(諸如,燈泡或led)導致的強光發射的影響。在本發明的實施例中,在圖16中描述了廣泛區域高能效熒光燈。圖16中的圖示是廣泛區域高能效熒光燈的側視圖。電極組裝件由電極161片、絕緣體162片和涂層163片制成。在此情況下,電極161、絕緣體162和二次發射涂層163可以由uv透明材料制成。例如,電極161可以由透明導電氧化物制成,諸如氧化銦錫(ito)或摻雜鋁的氧化鋅(azo)。絕緣體162可以由聚酰亞胺、pet、玻璃或石英制成。例如,二次發射涂層可以是mgo或gap。

本發明的另一實施例實現了無鎮流器的熒光燈。在圖17中描述了無鎮流器的熒光燈的實施例。無鎮流器的熒光燈類似于常規熒光燈,但是電極171由代替于金屬的電阻材料或半導體材料制成。對于給定的放電間隙、氣體、壓力和電壓,可以選擇正確的導電性或電阻性的電極171材料,以抑制過強的流光或放電電流。這移除了當前熒光燈的昂貴組件中的一個。電極171的材料可以是硅、al2o3:tio2-x混合物、sic、鍺、鎵化合物、聚合物半導體或帶有離子導電劑的聚合物,其中,可以調整其導電性以獲得最佳結果。

臭氧生成器

本發明的另一實施例是不存在可能損壞放電系統的電弧的高能效臭氧生成器。氧氣(o2)被引入到經涂敷的雙介質阻擋放電(cddbd)系統中并通過cddbd內的等離子體將其轉化為臭氧(o3)。圖18中示出了使用cddbd系統的高能效的臭氧生成器的實施例。每個電極181由以絕緣材料182完全纏繞的電極組成。在每個絕緣體的頂部,涂層183被施加有具有高二次發射系數的材料,諸如,ni、w、mo、beo、mgo、gap、gaasp、si、pbo、堿金屬銻化物、以及具有高二次發射系數的其他材料。如果在兩個電極181之間施加足夠高的ac電壓31,則空氣中的電場升高到足以使空氣在~3-10v/um下開始擊穿。將生成許多不同的氣體分子,包括o3、no、no2、no(h2o)n、no2(h2o)n等。如果僅存在氧氣184,則通過迫使氧氣184從氧氣罐(未示出)流動,僅臭氧185將被生成。因為存在絕緣體182,因此沒有電荷從電源穿過到達氣體區域186,即,cddbd系統是電容性負載。因此,除電源31中不希望的功率損耗之外,不存在功耗。cddbd系統187還可以被視為具有導通的空氣的兩個電容系統。然而,空氣傳導是冷過程(碰撞電離或冷等離子體),不存在熱耗散。因此,除由電源電路中的電阻器引起的任何其他不希望的熱耗散之外,整個cddbd系統187沒有功耗。利用電源的最小功耗設計(例如,來自電源線的直接升壓變壓器),功耗可以被最小化為僅在功率變壓器處。此類系統是高能效臭氧生成器。

被掩埋在絕緣體182內部的電極材料181可以是具有各種導電性的材料,包括半導體。半導體材料包括硅、al2o3:tio2-x混合物、sic、鍺、鎵化合物、聚合物半導體或具有離子導電劑的聚合物。該材料的導電性限制碰撞電離過程中的增益,并且因此控制流光的增益。對增益的控制可以抑制可能損壞cddbd系統的電弧放電。碰撞電離增益也是空氣間隔的函數,并且因此,電極材料的導電性可能根據間隙而有所不同,以使得獲得高度高效的臭氧生成而不具有電弧。

圖19中示出高能效臭氧生成器的另一實施例。該實施例是圖18中的實施例以串聯形式的擴展,包括平面電極組裝件陣列191,該平面電極組裝件陣列191由芯電極、絕緣體組成并且涂覆有電極組裝件191之間的空氣間隔192。每個電極191連接至具有交替極性的電源,以使得每個氣體間隔192具有來自所施加的電壓的電場并且因此具有paschen放電。氧氣193被饋送到電極組裝件191片陣列的一側,并且臭氧194在另一端處出來。

應理解,以上說明旨在是說明性的而非限制性的。對本領域技術人員而言,在閱讀和理解上面的描述后,許多其他實施例將是顯而易見的。將由本領域普通技術人員領會的是,以上所討論的實施例中的任何實施例可根據特定的實現方式、設計考慮、目標等出于各種目的而被使用。因此,范圍連同被授予權利的這些權利要求書的等效物的全部范圍應參照所附權利要求書來確定。

出于解釋的目的,已經參考具體實施例來描述了前述說明。然而,以上的說明性討論并不旨在是詳盡的或旨在將所描述的實施例限制于所公開的精確形式。鑒于以上教導,許多修改和變型是可能的。為了最好地解釋各實施例的原理及其實際應用,選擇并且描述了實施例,從而使得本領域的其他技術人員能夠最好地利用具有可能適合于所設想的特定使用的各種修改的各實施例。

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