離子風的流動特點、攜帶帶電粒子等屬性，決定了其在不同領域的廣泛應用。例如在食品干燥領域，離子風可以加速食物表面水分的蒸發，從而延長食品的保存時間；在溫度控制領域，利用離子風的流體性質可以帶走周圍的熱量，從而強化電子設備和元器件的空氣對流散熱；在推進領域，離子風可以控制邊界層流體，抑制機翼氣流分離，從而降低飛行時的空氣阻力，提升飛行器的升力；在助燃領域，離子風可以帶入放電過程中產生的活性粒子，促進燃料燃燒，提高燃燒效率；在空氣凈化領域，離子風所攜帶的電粒子與空氣中的顆粒和微生物充分混合后，可凝聚顆粒，殺死微生物。

離子風所具有的獨特優點使其的應用范圍非常廣泛，應用前景光明。離子風在很多領域還在實驗階段，并且一些關鍵問題還有待解決。離子風產生的方式主要有電暈放電和表面介質阻擋放電（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）。

基于電暈放電和SDBD的離子風發生裝置都是帶電粒子在電場作用下與空氣分子發生碰撞，進行動量交換從而產生離子風。針對離子風在各個領域中存在的問題，國內外學者已經對離子風激勵器提出了一些改進策略，以求在各領域內最大化離子風的作用效果。

1 抑制有害副產物產生

氣體放電產生的副產物會引起食品在一定程度上的變質，并且在空氣凈化過程中，若副產物得不到有效抑制，會造成二次污染。為了抑制副產物的影響，可以在離子風激勵器上安裝紫外線照射器，抑制臭氧的產生。還可以采用恒流式電源供電，適當加大高壓電極與地電極的距離，提高空氣濕度。光學催化劑的使用，如二氧化鈦(TiO2)、三氧化鎢(WO3)等的催化作用也可以有效抑制臭氧等副產物的產生。

?2 提高離子風強度

離子風強度的提高，可以提升傳熱系數和推力的大小。提高離子風強度的方法大致有兩類：一是使用多發射極并聯，提高流量；二是增加擴展電極，延長電場線。S. J. Lee等采用集成式針-環電暈放電陣列結構，并且在高壓電極與地電極之間引入屏蔽層，消除單元射流之間的影響，從而提高了離子風的強度。針-環電極微型陣列如圖1所示。

圖1 針-環電極微型陣列

近年來，不少學者通過增加擴展電極來提高離子風強度，如圖2所示，Tirumala等通過增加擴展電極，既可以增加遷移區的長度，提高離子風的強度，同時可以分擔部分電流，降低了起暈電壓。

圖3所示為DBD離子風激勵器通過增加電極數量來提高離子風強度。圖3a是R. Erfani等向電介質中嵌入第三電極的結構，離子風風速與標準DBD離子風激勵器相比提高了91.2%，功耗卻比標準DBD離子風激勵器低。如圖3b所示，K. Yoshida等采用環形輔助電極提高DBD產生離子風的強度，與沒有輔助電極時產生的離子風相比，風速從1.6m/s提高到3.7m/s，離子風轉化率提高了30倍。

上述研究只是單純地添加電極來強化離子風，而劉文正等采用交直流電極耦合的方法，在直流電極與交流電極之間引入第三電極，并接入直流電源。如圖3c所示，這種結構提高了空間電荷密度，從而提高了離子風的強度。在未來強化離子風的研究中，可以綜合考慮電極的數目、排列方式和供電方式來提升離子風的強度。

圖2 擴展電極強化離子風的裝置示意圖

圖3 DBD離子風激勵器改進示意圖

?3 消除帶電粒子的影響

在使用離子風對集成電路的電子元件冷卻時，由于離子風攜帶的帶電粒子在壁面上的沉積，可能會導致絕緣下降，還會對電子設備產生電磁干擾。為了消除帶電粒子的影響，可以采用雙極性電極產生離子風。

圖4a是Van T. D.等采用雙極性針電極產生中性離子風，這是因為不同極性的帶電粒子自中和，消除離子風的帶電性。雖然這種方式可以消除帶電粒子的影響，但離子風強度較低。因此為了提高雙極性離子風的強度，Wang Ronggang等在兩個針之間加SiO2電介質，在出口設置接地電極環，圖4b所示裝置產生的離子風強度可以達到普通雙針電極的5倍。

圖4 雙極性離子風激勵器

?4 裝置小型化

電子設備微型化的發展趨勢，限制了其冷卻裝置的體積，因此離子風裝置小型化也成為近年來離子風激勵器的發展趨勢之一。C. P. Hsu等采用硅晶體制備了微型懸臂式電暈放電離子風激勵器冷卻加熱板，電極間距4~5mm，電壓為8.5kV時，溫度降可達25℃，證明了離子風激勵器小型化的可行性。

Jewell-Larsen等采用線-板式電極結構，電極間距2~6mm，最大流量可達100L/min。A. O. Ong等采用的線-網電極集成式離子風激勵器，電極間距可達到0.5mm，對CPU進行冷卻具有比傳統風扇更好的冷卻效果，如圖5所示。

通過減小電極間距，既可以實現離子風激勵器的小型化，又可以在一定程度上提高離子風的強度，但林岑等的不同電極形式的離子風散熱效果實驗表明，通過減小間距提升離子風強度需要綜合考慮電極形式，否則可能導致離子風的應用效果降低。

圖5 線-網電極陣列離子風激勵器

上述研究都是通過減小電極間距來實現離子風泵的微型化，也可以從供電方式上實現激勵器的小型化。圖6是交流供電的兩種離子風激勵器，圖6a是A. M. Drews等在針-環電極之間施加交流電產生離子風，實驗結果表明，供電頻率較高時，離子風的強度與電極間距無關。這一研究結果為將來將離子風激勵器作為集成電路的冷卻方式提供了思路。

圖6b所示為V. T. Dau等對雙針電極施加交流電，這種結構沒有地電極，一定程度上減小了激勵器的體積，并且這種雙針結構可產生中性的離子風，消除帶電粒子的影響。電極形狀、材料對離子風是否存在影響也需要進一步研究。

圖6 交流離子風激勵器

?5 降低電壓等級

氣體放電所需的高電壓一定程度上提高了離子風的使用條件，因此在盡可能不降低離子風強度的前提下，降低放電電壓等級，對擴大離子風的應用范圍意義重大。目前已有不少學者提出了低壓離子風方案。

Tirumala等采用的針—初始電極—擴展電極，可以有效降低起暈電壓。也可采用新型供電單元，如圖7所示，M. J. Johnson等使用壓電變壓器為電暈電極產生離子風。壓電晶體既可以作為發射極也可以作為收集極，作為收集極時，最低電壓可降低至7V，可產生離子風的風速大約為0.3m/s，作為發射極時，離子風的風速最大可達到0.8m/s。同樣也可以考慮使用熱電或光電變壓器作為供電單元產生離子風。

改變供電方式也可以在一定程度上降低電壓等級，如圖8所示，S. Sato等使用多電極DBD結構，并采用DC疊加脈沖驅動的方式，有效降低了離子風驅動電壓。

上述研究從電極數量、電極材料和供電方式等方面降低產生離子風所需電壓，也可以從電極間距、電極的排列方式等角度降低電壓，但不同電極形式的運行工況不同，需要進一步探究。

圖7 壓電晶體做收集極和發射極示意圖

圖8 多電極DBD離子風激勵器

?6 防止電極腐蝕

離子風激勵器的電極腐蝕問題直接關系到裝置的使用壽命和維護成本，所以尋找新的電極材料是離子風研究領域的迫切問題之一。現有的離子風激勵器采用的電極大多是不銹鋼、銅電極。當離子風激勵器產生離子風時，電極附近發生的復雜碰撞電離，會電離出能腐蝕電極的化學物質。

防止電極腐蝕一般有兩種方法：①使用抗腐蝕且導電良好的材料，例如C. P. Hsu等和C. G. Noll等使用的硅、鍺針電極都具有很好的抗腐蝕性；M. J. Johnson等采用的壓電晶體和劉文正等采用的碳纖維電極也有著較強的抗腐蝕性。②在高壓電極上覆蓋抗腐蝕涂層，Ye Jianchun等在高壓電極上覆蓋TiO2/CNT涂層既可以起到抗腐蝕的作用，同時又提高了離子風的風速。

除了上述方法外，也可以采用合金作為電極材料。電極材料摻雜比例、加工方式可作為離子風激勵器電極的優化方向之一。

?以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》，論文標題為“離子風的應用研究進展”，作者為張明、李丁晨 等。