一种新型离子拖曳泵设计的实验表征

《Sensors and Actuators A: Physical》：Experimental characterization of a novel ion-drag pump design

　　

• 提出了一种适用于单级电致流体动力学（EHD）执行器的新颖丝-多极板几何结构特征。
• 在矿物油和酯类介电流体中通过PIV进行物理特性表征。
• 该设计实现了极高的流量-功率效率（高达251 mL/min/mW）。
• PIV分析揭示了独特的三维流动结构。
• 全局性能指数（0.53%）与更复杂的多级设计相当。

**分段摘要**

**引言**

数十年来，众多研究者利用强电场产生的电致流体动力学（EHD）力所驱动的流体流动进行了研究（例如[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]等），这主要源于其潜在的应用前景。EHD泵的主要优势在于无运动部件和结构紧凑，使其在重量、可用空间或噪声和机械振动作为设计约束条件时成为一种有吸引力的替代方案。该领域的研究得到了日益增长的支持。

**EHD机理**

以直流电（DC）运行的电致流体动力学（EHD）泵的效率与工作介电液体以及占主导地位的电荷生成机制有关，而后者随所施加的电场强度变化而变化[3]、[5]、[6]、[23]、[29]、[30]。在较低场强下，通常低于10? V/m，传导泵送是主要机制。这源于中性物种（流体本身分子或杂质）解离为正离子和负离子。

**丝-多极板几何结构**

由CEDRION开发并提供[27]的电致流体动力学装置具有丝-多极板几何结构。该装置的示意图见图1。

该装置的主要组件包括：
i) 发射电极：该组件由直径50微米、纯度99.95%的钨丝构成。运行期间，该电极维持高正电压（0-20 kV）。电荷注入介电液体的过程发生在此电极附近。导线一端由张紧器固定拉紧。

**压力与电流随直流电压的变化**

图3展示了两种所研究流体（V330和CUTMAX）的生成压力和消耗电流随所施加直流电压变化的结果。如图所示，压力的平方根和电流与电压之间均呈现近似线性关系。这证实了两种物理量均与电压的平方成比例（V2?），这与离子拖曳泵半经验标度估算（p*和j*）的预测一致。

**结论**

在0至20 kV范围内对一种新型丝-多极板EHD泵的实验表征表明，该泵具有极高的泵送能力，在20 kV时，使用V330可达到600 Pa的最大压力，使用CUTMAX可达191 Pa的最大压力。V330在10 kV时的最大估算流量为15.1 mL/s，由于较高电压下PIV测量受到限制，而CUTMAX在15 kV时达到的最大实测流量为18.2 mL/s。实验结果验证了离子拖曳泵送的理论标度定律在不同介质中的适用性。

**资助**

CEDRION Consultoría Técnica e Ingeniería SL，在西班牙科学、创新与大学部科学技术发展与创新中心（CDTI）合作框架内资助。项目编号：PTAG-20221010 (i-SISTEHMA)。

**CRediT作者贡献声明**

Alberto Navarro-Calvo：撰写-原始文稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念构思。
Francisco Cruz-Mazo：撰写-审阅与编辑，验证，监督，项目管理，资助获取，正式分析。
Mathieu Legrand：撰写-审阅与编辑，撰写-原始文稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资助。

**生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**

在撰写本文的过程中，作者使用了Gemini（Google）以提高手稿的可读性和语言质量。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版内容的全部质量承担责任。

**利益冲突声明**

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。

**致谢**

我们感谢CEDRION Consultoría Técnica e Ingeniería SL对本研究的资助及其合作。我们也感谢Omya SLU提供中空玻璃微球IM30K，感谢NYCO Group提供V330单酯介电流体样品。作者还感谢Marta Platón-álvarez在实验过程中给予的支持。

**Alberto Navarro Calvo（CEDRION）**：马德里理工大学（UPM）能源工程硕士。现任Cedrion公司冷却系统工程师，负责使用EHD组件的冷却系统。Cedrion是一家专注于基于等离子体冷却系统、电致流体动力学（EHD）执行器以及电子和航空系统先进热管理解决方案的技术公司。关键领域：EHD执行器、等离子体冷却、热管理。

Alberto Navarro-Calvo | Mathieu Legrand | Patricia Vega-Martínez | Francisco Cruz-Mazo