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特表2024-510887ボディの温度を制御するシステム

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-12

(54)【発明の名称】ボディの温度を制御するシステム

(51)【国際特許分類】

H05H 1/24 20060101AFI20240305BHJP

【ＦＩ】

H05H1/24

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023550585

(86)(22)【出願日】2022-02-16

(85)【翻訳文提出日】2023-10-12

(86)【国際出願番号】 EP2022053787

(87)【国際公開番号】W WO2022179907

(87)【国際公開日】2022-09-01

(31)【優先権主張番号】21382145.7

(32)【優先日】2021-02-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】505441568

【氏名又は名称】インスティトゥトナシオナルデテクニカアエロエスパシアル “エステバンテラーダス”

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＳＴＩＴＵＴＯＮＡＣＩＯＮＡＬＤＥＴＥＣＮＩＣＡＡＥＲＯＥＳＰＡＣＩＡＬ ”ＥＳＴＥＢＡＮＴＥＲＲＡＤＡＳ”

【住所又は居所原語表記】Ｃｔｒａ．ｄｅＡｊａｌｖｉｒ，Ｋｍ４，５，Ｅ－２８８５０ＴｏｒｒｅｊｏｎｄｅＡｒｄｏｚ（Ｍａｄｒｉｄ）（ＥＳ）．

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎修

(72)【発明者】

【氏名】コネサトルレス，アントニオヘスス

(72)【発明者】

【氏名】カブレラレブエルタ，アンヘル

(72)【発明者】

【氏名】サンチェスガルシア，マリオ

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084AA23

2G084BB05

2G084BB07

2G084CC03

2G084CC07

2G084CC08

2G084CC19

2G084DD01

2G084DD14

2G084DD21

2G084DD22

2G084DD37

2G084HH05

2G084HH20

2G084HH22

2G084HH25

2G084HH26

2G084HH45

2G084HH52

(57)【要約】

【要約】
ボディ（６）の温度を制御するシステムであり、ボディにイオン風を発生させるために電源に接続可能なＤＢＤアクチュエータ（９）と、初期構成を選択し、ボディ（６）の入力温度（Ｔ_ｉ）と目標温度（Ｔ_ｔａ）との間の温度差（ΔＴ）に依存して、電源（５）を制御する制御ユニット（８）とを備えている。初期構成は、ＤＢＤアクチュエータの以下の構成パラメータ、即ち、数、形状、幾何学的形状、電極の相対位置（ｄ）、誘電体材料、及び誘電体厚み（ｅ）を含み、初期構成はさらに、電源（５）に設定された以下の設定パラメータ、即ち、周波数値（ｆ）、振幅値（Ｖ）、波形信号、及びデューティサイクルを含む。制御ユニット（８）は、ボディの表面に伝達された熱を制御するために、設定パラメータのいずれかを変更することによって、初期構成を調整する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボディの温度を制御するシステムであって、
電源に接続可能であり、前記ボディでのイオン風を発生させるように構成されているＤＢＤアクチュエータと、
前記ボディでの入力温度と目標温度との間の温度差に依存して、さらに初期構成に依存して、前記電源を制御するように構成されている制御ユニットとを備え、
前記初期構成は、前記ＤＢＤアクチュエータの以下の構成パラメータ、即ち、電極の数、電極の形状及び幾何学的形状、電極の間の相対位置、誘電体材料、及び誘電体厚みを含み、
前記初期構成はさらに、前記電源での以下の設定パラメータ、即ち、周波数値、振幅値、波形信号、及びデューティサイクルを含み、
前記制御ユニットはさらに、発生された前記イオン風に伝達される熱を制御するために、前記設定パラメータの任意のものを変更することによって前記初期構成を調整するように構成され、
前記目標温度が前記ボディの前記温度よりも低い場合に、前記制御ユニットは、冷却構成を適用するように構成され、前記冷却構成は、最大冷却周波数限界よりも小さい周波数値と、最小冷却振幅限界よりも大きい振幅値とを含み、
前記目標温度が前記ボディの前記温度よりも高い場合に、前記制御ユニットは、加熱構成を適用するように構成され、前記加熱構成は、最小加熱周波数限界よりも大きい周波数値と、最大加熱振幅限界よりも小さい振幅値とを含む、システム。

【請求項2】

前記目標温度が前記ボディの前記温度よりも低い場合に、前記最大冷却周波数限界は１０Ｈｚないし５ｋＨｚの範囲にあり、前記最小冷却振幅限界は５ｋＶｐｐないし４０ｋＶｐｐの範囲にある、請求項１記載のシステム。

【請求項3】

前記最大冷却周波数限界は、１０Ｈｚないし１００Ｈｚの範囲にある、請求項２記載のシステム。

【請求項4】

前記電極のエッジの間の分離間隔は、０ないし８ｍｍである、請求項２又は３記載のシステム。

【請求項5】

前記ＤＢＤアクチュエータの露出電極は、非直線エッジを有し、好ましくは鋸歯形状を有する、請求項２ないし４のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項6】

前記目標温度が前記ボディの前記温度よりも高い場合に、前記ＤＢＤアクチュエータは第３電極を含み、前記第３電極と第１電極とは前記誘電体材料の同じ側に位置し、
前記第３電極は、前記第１電極、又は第２電極、又は外部電源（交流又は直流）に電気的に接続され、又は浮動電極として残る、請求項１記載のシステム。

【請求項7】

前記電極のエッジの間の分離間隔が負であり、両方の電極が部分的に又は完全に重なっている、請求項６記載のシステム。

【請求項8】

さらに、システムの中で関心パラメータを測定するように構成されているセンサを備え、前記制御ユニットは、測定された前記関心パラメータが入力として供給される、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項9】

前記センサは、前記ボディの表面の温度を測定するように構成されている温度センサであり、前記制御ユニットは、測定された前記温度が入力温度として供給される、請求項８記載のシステム。

【請求項10】

前記ＤＢＤアクチュエータは、可撓性のコンポーネントを含み、又は特定の形状に適応する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項11】

前記ＤＢＤアクチュエータの中で前記誘電体材料は、一定でない厚みを有する、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項12】

複数のＤＢＤアクチュエータを備えている、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項13】

システムのコントロールは、予め固定され、又は手動で管理される、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、全体的に熱交換に関する技術を教示する。さらに詳細には、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）効果に基づくプラズマアクチュエータで形成されたイオン風を使用した温度制御技術に関する。

【背景技術】

【0002】

ボディの温度を上昇又は下降させるために、熱管理を改善する必要がある分野に、多くの応用がある。例えば、エレクトロニクスの分野では、集積回路の小型化には、熱の増加の補償となるように適切な冷却が必要である。しかし、既存の提案は、一般的に、かさばり、騒音があり、複雑なものである（例えば、機械部品やジャイロ効果が増える）。航空学の分野では、別の例が逆の状況を示している。飛行中の低温は、空気力学と航空機の性能とに影響を及ぼす有害な現象である着氷を引き起こす。

【0003】

他の技術の中でも、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）効果は、加熱に利用可能である。ＤＢＤは１９世紀から知られ、絶縁性の誘電体バリアで隔てられた２つの電極の間に、高い交流電圧による非熱放電を発生させる。これらの電極が非対称に配置されると、イオン風が得られる。

【0004】

ＤＢＤ効果を発生させることができるアクチュエータを、ＤＢＤアクチュエータと称する。これらは通常、２つ以上の電極を重ね合わせ（露出電極及び絶縁電極）、誘電体媒体で分離したデバイスである。電極は、任意の導電性材料で形成されてよい。高電圧及び高周波の交流電力が供給された場合に、プラズマ放電が発生する。運動量は、イオンが中性分子と衝突することで、プラズマ放電から周囲に伝達され、これにより、空気及びボディの力が誘引される。

【0005】

既知のＤＢＤアクチュエータは、流体関連用途に使用されている。しかし、熱を伝達するためのＤＢＤアクチュエータは、まれであり、加熱用途に限られている。

【0006】

プラズマ発生技術は、コロナ放電のように、他にもある。コロナ放電は、やはり非熱放電であり、高い直流電圧を鋭い電極チップに印加して発生する。

【0007】

従って、改良された冷却、改良された加熱、又は代替の冷却及び加熱を提供することを可能するため、ＤＢＤアクチュエータがボディの温度を一層よく制御することを可能にすることが、現在の技術水準での必要性である。

【発明の概要】

【0008】

本発明は、技術の現状での限界と、適切な熱管理の必要性に鑑みてなされたものである。独立請求項に従って、表面冷却及び／又は加熱を行うことが可能なシステムが、提案される。このシステムは、特に凍結防止（氷結防止とも称する）用途及び霜取り（着氷防止とも称する）用途に使用されてよい。このシステムは、空気のイオン化の結果としてイオン風を発生させることが可能であり、その温度といくつかの特性とは、特定の運転条件に応じて変化されてよい。イオン風は、境界層を変更、例えば除去し、対流熱伝達の改善を達成するために、使用されてよい。有利なことに、表面の冷却と加熱との両方を、代替的機能を有するシステムの１つの実施形態で、又は別々の実施形態で、達成することができる。別々の実施形態の場合は、一方は特に冷却に適合し、他方は特に加熱に適合する。

【0009】

このシステムは、ＤＢＤアクチュエータを備え、ＤＢＤアクチュエータは、イオン風を発生させるように、例えば熱調整されるボディの近くに配置される。ＤＢＤアクチュエータは、電極と、非気体の誘電体材料とを含む。電極の間に電界勾配が生じた場合に、電界勾配の減少方向に力が発生し、誘電体材料の表面の弱くイオン化した空気に力を加える。イオンが変位する際、イオンは中性の空気分子と衝突し、運動量を伝達し、この衝突から気流を発生させる。この気流をイオン風と称する。このイオン風の速度と体積とは、パラメータのうち電圧や周波数によって増加する。イオン風は、境界層の特性と流れの構造とを変化させることができる。

【0010】

本発明は、ボディの温度を制御するシステムを提供する。システムは、電源に接続可能であり、ボディでのイオン風を発生させるように構成されているＤＢＤアクチュエータと；初期構成を選択し、ボディでの入力温度（Ｔ_ｉ）と目標温度（Ｔ_ｔａ）との間の温度差（ΔＴ）に依存して電源を制御するように構成されている制御ユニットとを備えている。初期構成は、ＤＢＤアクチュエータの以下の構成パラメータ、即ち、電極の数、電極の形状及び幾何学形状、電極の間の相対位置（ｄ）、誘電体材料、誘電体厚み（ｅ）、及び設定される以下の設定パラメータ、即ち、周波数値（ｆ）、振幅値（Ｖ）、波形信号、及びデューティサイクルを含む。制御ユニットはさらに、発生されたイオン風に伝達される熱を制御するために、設定パラメータのいずれかを変更することによって初期構成を調整するように構成されている。

【0011】

システムのいくつかの実施形態は、従属請求項に従って定義されてよい。とりわけ、例えば、多様な特徴を有する異なるＤＢＤアクチュエータを使用してよい。多様な特徴とは、電極の数、電極の形状（即ち、平坦、波状、円形又は円柱形）、位置（即ち、エッジ距離、平行、面一など）、幾何学形状（歯状、直線状、尖端状など）、封止（欠如、均一、可変）、そのコンポーネントの構造（剛性、可撓性）などに応じた特徴である。これらは、ＤＢＤアクチュエータの製造構成に関連する構成的特徴である。

【0012】

同様に、システムのＤＢＤアクチュエータの電極に印加される電圧信号の特性が、全体の挙動を変える。そうすることで、イオン風を変化させることができる。これらの特性とは、例えば周波数、振幅、波形、デューティサイクルなどである。これらは、必要に応じて簡単に変更可能である設定パラメータと想定される。その目的のために、用途に応じた電源の設定が変更可能であるように構成された制御ユニットが提案される。電源ＤＢＤアクチュエータの設定パラメータは、電源を制御する際に考慮されてよい。

【0013】

例えば、ボディに一定の冷却又は加熱を発生させるために、制御ユニットは、電源に特定の波形、電圧及び／又は周波数を設定してよく、結果が達成されたか、そうでなければ設定の調整が必要か否かをモニタする。ＤＢＤアクチュエータによって発生されるイオン風の温度、速度、及び／又は体積を上昇又は低下させることによって、パラメータの選択は影響を与える。また、境界層にも影響を与える。

【0014】

システムの性能は、ＤＢＤへの入力温度（Ｔ_ｉ）によって制限され、目標温度（Ｔ_ｔａ）の影響を受ける。たとえこれらが固定可能であったとしても、両方が変更されてよい。実際、Ｔ_ｔａは設計によって設定された値であり、ユーザによって変更されてよい。一方、Ｔ_ｉは、例えば、ＤＢＤシステムの周囲の温度が高いか低いかの異なる領域から強制的に流すことによって、又はＤＢＤ入口に設置された加熱／冷却システムによって、変更されてよい。さらに推定され、手動で導入されてよい。ここで、Ｔ_ｔａは、到達不可能であるように選択されてよく、その場合に、システムはある方向（加熱のみ、又は冷却のみ）にしか機能しないことが強いられることに留意するものとする。

【0015】

用途によっては、システムは、システムの中で任意の関心パラメータをリアルタイムで測定するセンサ（例えば、氷の存在を特定するセンサ）の存在を利用してよい。このパラメータは、システムのコントロールをさらに適合させるために、使用されてよい。好ましい実施形態では、このセンサはボディの温度を測定する温度センサである。

【0016】

冷却又は加熱を実現するために重要なこととして、本発明は、特徴の複雑なトレードオフとバランスとに対処するものである。構成パラメータ又は設定パラメータのいずれかのように、正反対の効果をもたらす特徴がある。さらに、変更されたときに逆の方向に挙動を変更する可能性のある特徴がある。

【0017】

例えば、電極の間の分離間隔が大きいほど放電領域は大きくなるが、プラズマの領域は小さくなり、イオン風の形成は弱くなる。一方、電極の間を離すと、放電は不均一になり、その結果、挙動の繰り返し性は低い。放電の不均一性を補うために、電極のエッジ（通常は直線状）の形状が変更されてよい。例えば、エッジが、鋸歯状や尖端状であることが提案される。つまり、適切なエッジ形状を選択することで、放電が電極の特定の領域から開始することを生じさせる。その結果、放電は一層均一なものとなり、その結果、電界の強度が増加する。この場合に、エッジ形状が２つの電極の分離の効果を補償する。

【0018】

同様に、制御ユニットは、ある設定パラメータを介して電源の設定をダイナミックに変更し、迅速にＤＢＤの動作に作用させることができる。

【0019】

制御ユニットは、意図された用途を達成するためにイオン風をどのように発生させるかに影響を与える。例えば、ＤＢＤアクチュエータへの供給には、パラメータ、即ち、電圧信号の波形、デューティサイクル、振幅、周波数が鍵となる。その結果、ボディの熱調節を達成することができる。ボディの表面に当たるイオン風を発生させることは、変動してよく、異なった熱調節（冷却又は加熱、あるいはその両方）を得ることができる。

【0020】

システムのロバスト性は強化されてよい。例えば、ＤＢＤアクチュエータの過度の加熱による誘電破壊を防止することができる。温度センサが安全閾値（例えば温度限界）よりも大きい値を示した場合に、制御ユニットは、電圧振幅を維持したまま励起周波数を低下させ、温度を低下させる。

【0021】

このシステムは電源のエネルギー消費を節約する。例えば、一層小さい周波数（例えば１ｋＨｚ以下）でボディを冷却するために作動が可能である。

【0022】

このシステムは、いくつかの追加的な利点、即ち、小さな重量、減少した体積の占有（冷却用途ではヒートシンクやファンが不要）、特定の形状に適応する可撓性、低メンテナンス性、複数の機能性の組み合わせ（冷却と加熱）などの利点がある。

【0023】

さらに本発明の教示は、異種技術に適用可能である熱保護システムの複雑さを軽減し、その統合を改善することを可能にする。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】システムの実施形態の要素の概略ブロック図である。

【図2】システムの実施形態の制御ユニットの概略ブロック図である。

【図3】システムの実施形態のボディを冷却又は加熱する制御ユニットの例示的な流れ図である。

【図4】ＤＢＤアクチュエータを備えているシステムの実施形態を示す概略図である。

【図5A】ＤＢＤアクチュエータの露出電極の［３つの］異なる形状を示す。

【図5B】ＤＢＤアクチュエータの露出電極の［３つの］異なる形状を示す。

【図5C】ＤＢＤアクチュエータの露出電極の［３つの］異なる形状を示す。

【図6A】封止されていない下部電極を有するＤＢＤアクチュエータを示す。

【図6B】下部封止電極を有するＤＢＤアクチュエータを示す。

【図7】３つの電圧周波数について、図６ＢのＤＢＤアクチュエータにわたる高さでのイオン風の速度変化の実験結果を示す。

【図8A】システムのためのＤＢＤアクチュエータの異なる構成的実施形態を示す。

【図8B】システムのためのＤＢＤアクチュエータの異なる構成的実施形態を示す。

【図8C】システムのためのＤＢＤアクチュエータの異なる構成的実施形態を示す。

【図8D】システムのためのＤＢＤアクチュエータの異なる構成的実施形態を示す。

【図8E】システムのためのＤＢＤアクチュエータの異なる構成的実施形態を示す。

【図8F】システムのためのＤＢＤアクチュエータの異なる構成的実施形態を示す。

【図8G】システムのためのＤＢＤアクチュエータの異なる構成的実施形態を示す。

【図9】異なる波形を示す。

【図10】定常波形と非定常波形とを示す。

【図11】電源に発生する単一パルス波形を示す。

【図12A】図８Ａのシステムの実施形態の加熱に関する温度／時間の曲線を示す。

【図12B】図８Ａのシステムの実施形態の加熱に関する温度／距離の曲線を示す。

【図13A】時間と励起周波数電圧との関数としての冷却効果を示す。

【図13B】時間と電圧振幅との関数としての冷却効果を示す。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明のいくつかの態様及び実施形態について、さらによく理解するために図面を参照して説明する。

【0026】

図１は、本発明の一実施形態による簡略化したブロック図である。温度センサ７は、ボディ６の温度を測定し、その値を制御ユニット８に供給する。電源５は、ＤＢＤアクチュエータ９に交流電圧を供給する。制御ユニット８は、ボディ６の温度に依存して、また目標温度に依存して電源５を制御する。制御ユニット８は、初期構成として電源５の特定の設定を選択してよい。冷却又は加熱は、温度センサ７によって与えられるボディ６の現在の温度と、目標温度とに依存して適用されてよい。初期構成ではさらに、ＤＢＤアクチュエータの構成的特徴が考慮されてよい。ＤＢＤアクチュエータの電極は、ボディ６に向かってイオン風を引き起こすプラズマ領域を形成する。制御ユニット８は、このように、電圧周波数、及び／又は電圧振幅、及び／又は波形、及び／又はデューティサイクルのような設定パラメータを変えることによって、ボディ６を冷却又は加熱することができ、ボディの温度が所望の通りに変化したか否かを、温度センサ７により時間間隔Δｔの後にチェックする。チェックした結果、ボディの温度が十分に変化していない場合は、目標温度に到達しやすいように初期構成を調整してよい。

【0027】

制御ユニットは、温度センサと目標温度とに基づいて、加熱モード又は冷却モードで作用するように作動されてよい。さらに、制御ユニットは、その動作方法を変更するための他の入力信号を含んでよい。さらに、制御ユニットは、２つの設定（冷却又は加熱）のいずれかを選択するための手動モードでの動作を可能にしてよい。

【0028】

加熱モードでは、デフォルトの波形はナノパルス（ｎｓ－ＤＢＤ）となる。プリセット構成で目標温度に到達できない場合に、励起電圧が上昇され、次に周波数が上昇される。これらは例えば、交互に行ってよく、又は同時に行ってよい。目標温度に到達した場合に、デューティサイクルのある非定常波を導入するか、又はバーストの形で、消費電力の一層少ない波形に変更してよい。

【0029】

冷却モードでは、プリセット波形は正弦波交流信号であることが好ましい。プリセットされた条件で目標温度に到達しない場合に、励起電圧は上昇する。表面の冷却を達成するために励起電圧を上昇させる間、望ましくない効果が発生する可能性、例えば、温度の上昇が生じる可能性があることに留意するものとする。このような状況では、励起周波数を減少させるか、又は、デューティサイクルを介して非定常波で励起する。制御ユニットは、目標温度に到達した場合に、電力消費を削減するために同様の作動を使用してよい。

【0030】

図１に示したシステムは、温度センサ７がなくても有効であることに留意するものとする。この場合に、コントロールは予め固定されてよく、又は、手動で管理されてよい。

【0031】

図２は、制御ユニット８の別のブロック図である。制御ユニット８は、電源５の設定パラメータとＤＢＤアクチュエータ９の構成パラメータとを有する初期構成を考慮して、初期構成、例えば電源５の設定パラメータを適切に調整することができる。ＤＢＤアクチュエータ９の構成パラメータは、制御ユニット８の入力の一部であってよい（例えば、ある周波数範囲での電圧の限界振幅（振幅限界）、ある振幅範囲での電圧信号の限界周波数（周波数限界）、またＤＢＤアクチュエータの限界温度などの安全動作値）。

【0032】

電源５の設定パラメータの変更が、ＤＢＤアクチュエータ９の限界動作値に達することを生じたか否かをチェックすることによって、ＤＢＤアクチュエータ９の安全動作をモニタするように、制御ユニット８は構成されている。ここで、限界動作値は、電源５での残りの設定パラメータに従って選択されたものである。

【0033】

図３は、温度制御のための制御ユニット８の実施を示すフロー図である。ボディの温度（Ｔ_ｂ）が、Ｔ_ｔａ度以下（加熱）又はＴ_ｔａ度以上（冷却）の場合に、初期構成が使用されて、電源を作動させ、ＤＢＤアクチュエータによりプラズマを生じさせる。ある時間Δｔ後、ボディの温度は、所望の目標温度Ｔ_ｔａと比較される。Ｔ_ｂとＴ_ｔａとの間に温度差がある場合に、制御ユニットはパワーユニット（電源）の設定パラメータを変更することによって初期構成を調整することができる。このように、設定パラメータは、冷却又は加熱のために選択的に変更してよい。

【0034】

図４は、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）効果に基づいてボディ６の温度を変更するシステム１０の実施形態の概略図である。システム１０は、２つの電極を有するＤＢＤアクチュエータを含む。第１電極１は、側面が外部（全体的に、周囲の空気だけでなく、他の流体も含む）に露出する。第２電極２は、望ましくない影響を回避し、消費電力を削減するために、封止構造４を有する。両方の電極は、高い交流電圧を供給する電源５に接続されている。後述するように、他のＤＢＤアクチュエータが適する可能性がある。好ましくは、電圧波形と関連パラメータとは、使用目的に応じて定義されてよい。周波数、振幅、波形、デューティサイクルなど、設定するべきパラメータのいくつかについては後で説明する。見て分かるように、電極１及び２は、平行な平面に配置され、その間に特定の厚み「ｅ」の誘電体層３のための空間を画定している。電極１及び２は、垂直に位置合わせされず、エッジ１ｂ及び２ｂの間にはオフセット「ｄ」があり、高電圧が印加されると、空気のイオン化を生じ、いくつかの目的のために利用可能な、矢印で示す、イオン風を発生させる。特に、ボディ６の表面を冷却又は加熱する目的である。ｄ＞０は、電極の間のギャップ又は分離、即ちエッジ２ｂからエッジ１ｂまでのギャップを意味する一方、ｄ＜０は、両方の電極の間の少なくとも部分的な重なり合い、即ちエッジ２ｂが電極１の下にあることを意味することに留意するものとする。一般的な規則として、ｄ＜０の構成は、加熱用途のために好まれるものとする。他方、ｄ＞０の構成は、冷却用途のために好まれることとなる。

【0035】

図５Ａないし５Ｃは、露出電極の３つの異なる形状を示す。幾何学的特性は異なってよい。図５Ａは、直線状のエッジを有する電極を示す。図５Ｂは、三角形の歯を有する電極を示す。図５Ｃは、正弦波状のエッジを有する電極を示す。エッジの形状は、後述するように、適切な放電を生成するために重要である。

【0036】

電極の厚みは、鍵となる要素ではないことが分かっている。しかし、厚みは小さいほどよい。一般的に、電極の厚みは２００μｍ未満であるものとし、好ましくは、約５０μｍであるものとする。

【0037】

図６Ａは、簡素化されたＤＢＤアクチュエータを示し、これは、非対称に配置された、誘電体材料３（誘電体媒体３）の反対側に位置する２つの電極１及び２によって定義される。この実施形態には、封止電極（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）はない。交流高電圧源５は、電極１及び２に電圧を印加する。本明細書の文脈では、高電圧は５ｋＶｐｐないし５０ｋＶｐｐであると理解されるものとする。電圧閾値を超えると放電が生じ、誘電体の両側、電界が最も強い領域で、空気がイオン化される。誘電体材料３の両側に、プラズマが形成される。その結果、両側でイオン風が逆向きに発生する。

【0038】

図６Ｂは、別の単純化されたＤＢＤアクチュエータを示す。この場合に、プラズマの発生は誘電体３の片側のみに生じる。誘電体の反対側でのプラズマ発生を防止するために、電極の一方は、例えば、電極を封止電極とすることにより、分離される。露出電極上には、プラズマの領域が形成される。一般に、接地に接続された電極は、通常、封止電極である。

【0039】

プラズマ領域は、電極に高電圧信号を印加して得られた強い電界によって、形成される。プラズマ領域に含まれたイオン化した空気は、露出電極１のエッジ１ｂから封止電極２へ伝搬し、イオン風を発生させる。

【0040】

誘電体材料は、２つの電極の間に電気アークが形成されるのを防止する。さらに、誘電体材料３に電荷が蓄積されると、放電が減少し、最終的には消滅する。このため、通常は交流電圧信号が使用される。

【0041】

図７は、図６Ｂに描かれたＤＢＤアクチュエータ表面からの高さｈの関数としての、誘引されたイオン風の速度の実験的測定を示す。カプトン（登録商標）が、誘電体素子として使用される。１４ｋＶｐｐ（振幅７ｋＶ）の電源電圧で、３つの異なる周波数値（１ｋＨｚ，２ｋＨｚ，３ｋＨｚ）であり、露出電極の後エッジ１ｂからＬ＝１６ｍｍの位置である。周波数が大きいほど、イオン風の速度が速くなることが分かる。この事実は、制御ユニットがＤＢＤアクチュエータの機能を変更するために利用される。速度は、アクチュエータ表面付近、高さ０．５ないし１ｍｍの間で最大に到達する。

【0042】

図８Ａないし８Ｇでは、ＤＢＤ９のさまざまなシステム実施形態に従った電気風（イオン風）の異なる形成を概略的に見ることができる。ＤＢＤ９では、電極のＤＢＤアクチュエータの構成パラメータ（配置、サイズ、数など）はさまざまである。矢印の方向は、イオン風の方向を示す。矢印のサイズは、速度の大きさと関係ない。

【0043】

図８Ａは、露出電極１が誘電体層３の上に配置されている場合を示す。封止電極２は、誘電体層の反対側に配置されている。両方の電極１及び２は層状（例えばフォイルテープ）であり、平行な平面上に配置され、それぞれのエッジに変位を有する。プラズマは、封止電極２に近い方の露出電極１のエッジで発生する。このようなＤＢＤアクチュエータは、冷却及び加熱の用途に適する可能性がある。

【0044】

図８Ｂは、露出電極１が誘電体層３の上に配置されている場合を示す。封止電極２は、誘電体の反対側に配置されている。両方の電極１及び２は、層状で、平行な平面上に配置されている。露出電極１は、封止電極２よりも小さく、完全に重なっている。プラズマは、露出電極１の両エッジに発生する。このようなＤＢＤアクチュエータは、加熱用途の方にむしろ適する可能性がある。

【0045】

図８Ｃは、一方の電極が他方の電極に対して突出することで、追加的な分離又はギャップが定義される（ｄ＞０）、別の実施形態を示す。露出電極１と封止電極２との間にあるこのギャップは、必要性に合わせて変更してよい。このようなＤＢＤアクチュエータは、冷却用途の方にむしろ適する可能性がある。

【0046】

図８Ｄは、第３電極を追加した別の実施形態を示す。この構成では、電気風が、ボディ６の表面に垂直に発生する。３つの電極に関しては、２つの電極が露出し、同じ電源に接続されている。電気風は、風向きを１８０度変えることができるように発生される。この結果を得るためには、電極１及び１３に与える電圧及び／又は周波数を異ならせる必要がある。２つの電源が使用されてよい。このようなＤＢＤアクチュエータは、加熱用途の方にむしろ適する可能性がある。

【0047】

図８Ｅは、図８Ａで説明した構成に類似した別の実施形態を示す。ここでは、誘電体厚みが一定でない。封止電極の一部が、露出電極の平面に平行でない。電界の強度が減少する領域で誘電体厚みを減少させることにより、一層大きなプラズマ領域が生成される。このようなＤＢＤアクチュエータは、冷却用途の方にむしろ適する可能性がある。

【0048】

図８Ｆは、３つの電極を有する別の実施形態を示す。この構成では、第３電極１３は、接地封止電極に電気的に接続されている。電極１が交流高電圧信号に接続され、電極２及び１３が接地に接続されている場合に、放電は、電極１３が一層大きな電荷中和を可能にし、誘電体材料３への電荷蓄積を減少させるという利点を有する。このようなＤＢＤアクチュエータは、加熱用途の方にむしろ適する可能性がある。

【0049】

図８Ｇは、３つの電極を伴って「スライディング放電」と称する構成による実施形態を示し、コロナ放電とＤＢＤ放電とを組み合わせている。誘電体要素３によって分離された、２つの露出電極と１つの封止電極とがある。この配置では、追加電極１３は負の直流電源に接続されている。電極１と電極２との間には、基本的なＤＢＤがある。電極１から電極１３まで、コロナ放電チャンネルが形成されている。この構成により、減少した電圧で一層大きなプラズマ領域が実現される。このようなＤＢＤアクチュエータは、加熱用途の方にむしろ適する可能性がある。

【0050】

上述の構成は単なる例示に過ぎない。他のタイプが定義されてよい。異なる構成の組み合わせも可能である。そのうちには、電極を共有するものがある。

【0051】

図では単一のＤＢＤアクチュエータ９を示すが、システムは同じボディ又は異なるボディに作用する複数のアクチュエータを含んでよい。電極の形状は、平らであること、層状であることにも、電極の間が平行であることにも限定されないことに留意するものとする。実際に、ＤＢＤとそのコンポーネントがボディや特定の形状に適応することで、システムの性能の利点が予見できる。

【0052】

本実施形態の性能に影響を与えるその他の構成パラメータについては、下記に述べる。

【0053】

露出電極の厚みは、電界の強さに相対的に影響する。電極を形成する幅や材質は、あまり重要ではない。露出電極が薄いほど、イオン風の発生という点で、さらによい結果が得られる。

【0054】

封止電極の幅は、プラズマ領域の長さの増加を生じ、性能を向上させる。しかし、ある値を超えると、それ以上の改善は得られない。

【0055】

対向電極の配置は、互いに前側に配置されるエッジの間にオフセット「ｄ」が存在するようにしてよい。従って、オフセット「ｄ」は正又は負であってよい。イオン風発生のための最良の結果は、－１ｍｍから１ｍｍまでのオフセットで得られる。重なり合った電極構成は、一層均一な放電に関係する。この実施形態はさらに、性能の少しの上昇を可能にする。

【0056】

誘電体層の材料は非常に重要で、ＤＢＤシステムの性能とその最大動作条件に影響する。誘電体として使用される代表的な材料は、テフロン（登録商標）、水晶、カプトン（登録商標）、マコー（登録商標）、ベークライト、石英、デルリン（登録商標）、メタクリレート、ポリカーボネートなどを含む。実際には、完全な誘電体は存在しない。どの誘電体が最も適切かは、具体的な用途に依存する。

【0057】

これまでの考察とは別に、電気的励起もシステムの挙動で非常に重要である。

【0058】

図９は、システムに供給するために使用可能な数タイプ、即ち、正弦波、矩形波、三角波、鋸歯状波、パルス波の電気信号を示す。一般的に、冷却用途には正弦波が好まれ、加熱用途には非常に短い持続時間のパルス波が好まれる。

【0059】

パルスを使用して電圧信号を変調する、例えば、交流信号を一定の周波数でオン・オフすることで、非定常励起を得ることができる。動作時間と励起周期との関係から、デューティサイクルが求められる。定常動作は、１００％のデューティサイクルを有する。非定常動作は、剥離した境界層に不安定性を励起し、定常動作よりもよい結果を得ることができる。

【0060】

図１０は、定常波形と非定常波形とを示す。このタイプの励起は、冷却と加熱との両方で有効である。周波数について、ナノ秒パルス放電は、マイクロ秒放電よりも効率的である。電源は、このような短時間の信号が供給可能であることを必要とする。

【0061】

ナノ秒パルス放電は、ｎｓ－ＤＢＤとも称するが、広いマッハ範囲での流量制御用途に有効であることが示されている。また、熱伝達にも大きな効果があり、短時間での加熱が可能である。ナノ秒パルス放電に基づく構成は、基本的に通常のＤＢＤ、即ち、これは既に説明したこの文脈でＡＣ－ＤＢＤとも称するものと同じである。説明した設定はすべて有効であり、両方に適用可能である。

【0062】

ｎｓ－ＤＢＤの構成では、ジュール効果が鍵となる。システム周囲の空気の加熱が非常に速いため、音速で伝播する圧縮波が発生する。ｎｓ－ＤＢＤシステムでは、図１１に見られるように、立ち上がり時間が数十ナノ秒のオーダーで、持続時間が５ｎｓないし２００ｎｓの高電圧パルス（５ないし５０ｋＶ）によって励起が生成される。

【0063】

図１１は、ある周波数に従って繰り返される単一パルスの典型的な形態を示す。これらのパルスは、いわゆるｎｓ－ＤＢＤ構成で使用される。ｎｓ－ＤＢＤ構成の用途は、飛行機での氷の形成を回避するために熱を発する能力の高さによる着氷防止要素である。

【0064】

図１２Ａ及び１２Ｂは、加熱に関する実験結果を示す。図１２Ａは、図８Ａの構成のシステムの実施形態の経時的な温度変化を示す。同様に、図１２Ｂは、エッジ１ｂに平行でこのエッジから５ｍｍに位置する線での温度変化を示す。ほぼ１００°Ｃの上昇が、約２０秒で達成できる。使用した特定の設定は、周波数１５００Ｈｚ、振幅１６ｋＶであり、波形はナノ秒パルスである。一層大きな周波数は、一層よい結果をもたらす可能性がある。

【0065】

電圧と周波数との上昇は、不凍液又は除霜システムでの加熱能力の上昇を意味する。さらにこれに代えて、又はこれに加えて、図８Ｇの「スライディング放電」構成によって、加熱領域の増加が達成されてよい。

【0066】

冷却能力に関して、一層多くのイオン風を発生させる目的で電圧や周波数を上昇させた場合には、望ましい結果が得られるように注意する必要がある。風自体の温度も上昇する。温度の上昇は、期待された改善の効果をなくしてしまう可能性がある。さらに、後述する図面に見られるように、逆の効果を引き起こす可能性がある。この影響は、制御ユニットによって考慮され、意図された目的に対して逆行にならないように適切に電源を制御する。

【0067】

図１３Ａは、図４のシステムの実施形態の作用下、７０°Ｃで加熱された平板（ボディであってよい）の経時的な温度変化を示す。電源電圧は２０ｋＶｐｐの振幅に固定で設定され、他方、周波数は上昇される。見て分かるように、周波数の上昇は、平板の温度低下が一層大きくなること、その結果、冷却能力が上昇することを意味する。しかし、この冷却能力は、周波数を上昇させると低下するのであり、その傾向が逆転することさえある。イオン風の速度を上昇させると、風そのものの温度が上昇する可能性があるため、ある時間が経過すると、平板が再加熱される可能性がある。制御ユニットはこの挙動をモニタし、必要であれば対策の構成を適用する。

【0068】

図１３Ｂは、１ｋＨｚの固定周波数の場合に経時的な温度変化を表すいくつかの曲線を有するグラフに、同様の挙動を示す。各曲線は、振幅電圧の値に対応する。電圧が上昇するごとに、冷却がわずかに改善され、電圧値が２２ｋＶｐｐを超えると、相殺されて逆転することが分かる。

【0069】

図１３Ａ及び図１３Ｂの曲線は、限られた性能及び高い消費電力と引き換えに、ＤＢＤ効果を応用した冷却が可能であることを示唆する。この問題は、かなり正反対の一連の動作を実行することによって対処される。

【0070】

［実施例］
以下、いくつかの実施例を参照して本発明を具体的に説明するが、これらは本発明を限定することを意図しない。

【0071】

制御ユニットにより、電源の設定のダイナミックな制御が行われる。

【0072】

［冷却の設定パラメータ］
可能な限り小さい（低い）周波数を設定するものとする。ＤＢＤアクチュエータは、通常の状態では１ｋＨｚないし５０ｋＨｚの範囲で動作する。有利なことに、本システムでは動作周波数を少なくとも１又は２オーダー（１又は２桁）だけ減少させることができ、最適な範囲は１００Ｈｚ未満である。このような小さい周波数では、イオン風はほとんど冷却性能を有さない。このため、励起電圧は、制御ユニットによって２５ｋＶｐｐのオーダーの値まで上昇される。

【0073】

構成パラメータに関しても、いくつかの推奨事項がある。まず第一に、露出電極と封止電極とを分離することであり、これは、プラズマ領域がさらに小さく、イオン風がさらに弱いことを伴う。しかし、電極の間の距離は、不均一放電を生じる。つまり、放電は、繰り返し性のある（ｒｅｐｅａｔａｂｌｅ）挙動を示さない。

【0074】

第二に、放電の不均一性を補うために、露出電極は、図５Ａに示されるように通常は直線状であるが、図５Ｂに示されるように鋸歯状の電極に置き換えられ、放電が常に電極の歯から始まるようになる。放電は一層均一になり、電界は一層強くなり、２つの電極を分離する欠点を補い、パラメータｄを増加させる。

【0075】

このような構造と操作により、イオン風は、最小限の温度上昇を伴って得られる。従って、最小限の電力消費で、優れた冷却が実現できる。

【0076】

要約すると、良好な冷却能力を達成するためには、ＤＢＤアクチュエータの通常の動作から逸脱した特定のアプローチがとられる。異なる周波数範囲が使用され、電極の間の分離間隔が必要とされ、放電を制御するための特定の形状が必要とされる。

【0077】

［冷却作動の例］
入力として、ボディの温度が７０°Ｃであり、目標温度が４０°Ｃであるとする。周囲温度が約２５°Ｃの場合に、いくつかの条件や制約が生じる。周囲温度が高いほど、ボディの表面から放散される熱の流れは少なくなる。一方、周囲温度が一層低いと、一層低いボディの温度に到達するようになる。

【0078】

構成パラメータ：
厚みは０．５ｍｍオーダー（カプトン素材）。
電極の間の分離間隔ｄは０ｍｍを超え、好ましくは３ｍｍである（０ないし８ｍｍであってよい）。