离子风的流动特点、携带带电粒子等属性，决定了其在不同领域的广泛应用。例如在食品干燥领域，离子风可以加速食物表面水分的蒸发，从而延长食品的保存时间；在温度控制领域，利用离子风的流体性质可以带走周围的热量，从而强化电子设备和元器件的空气对流散热；在推进领域，离子风可以控制边界层流体，抑制机翼气流分离，从而降低飞行时的空气阻力，提升飞行器的升力；在助燃领域，离子风可以带入放电过程中产生的活性粒子，促进燃料燃烧，提高燃烧效率；在空气净化领域，离子风所携带的电粒子与空气中的颗粒和微生物充分混合后，可凝聚颗粒，杀死微生物。

离子风所具有的独特优点使其的应用范围非常广泛，应用前景光明。离子风在很多领域还在实验阶段，并且一些关键问题还有待解决。离子风产生的方式主要有电晕放电和表面介质阻挡放电（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）。

基于电晕放电和SDBD的离子风发生装置都是带电粒子在电场作用下与空气分子发生碰撞，进行动量交换从而产生离子风。针对离子风在各个领域中存在的问题，国内外学者已经对离子风激励器提出了一些改进策略，以求在各领域内最大化离子风的作用效果。

1 抑制有害副产物产生

气体放电产生的副产物会引起食品在一定程度上的变质，并且在空气净化过程中，若副产物得不到有效抑制，会造成二次污染。为了抑制副产物的影响，可以在离子风激励器上安装紫外线照射器，抑制臭氧的产生。还可以采用恒流式电源供电，适当加大高压电极与地电极的距离，提高空气湿度。光学催化剂的使用，如二氧化钛(TiO2)、三氧化钨(WO3)等的催化作用也可以有效抑制臭氧等副产物的产生。

​2 提高离子风强度

离子风强度的提高，可以提升传热系数和推力的大小。提高离子风强度的方法大致有两类：一是使用多发射极并联，提高流量；二是增加扩展电极，延长电场线。S. J. Lee等采用集成式针-环电晕放电阵列结构，并且在高压电极与地电极之间引入屏蔽层，消除单元射流之间的影响，从而提高了离子风的强度。针-环电极微型阵列如图1所示。

图1 针-环电极微型阵列

近年来，不少学者通过增加扩展电极来提高离子风强度，如图2所示，Tirumala等通过增加扩展电极，既可以增加迁移区的长度，提高离子风的强度，同时可以分担部分电流，降低了起晕电压。

图3所示为DBD离子风激励器通过增加电极数量来提高离子风强度。图3a是R. Erfani等向电介质中嵌入第三电极的结构，离子风风速与标准DBD离子风激励器相比提高了91.2%，功耗却比标准DBD离子风激励器低。如图3b所示，K. Yoshida等采用环形辅助电极提高DBD产生离子风的强度，与没有辅助电极时产生的离子风相比，风速从1.6m/s提高到3.7m/s，离子风转化率提高了30倍。

上述研究只是单纯地添加电极来强化离子风，而刘文正等采用交直流电极耦合的方法，在直流电极与交流电极之间引入第三电极，并接入直流电源。如图3c所示，这种结构提高了空间电荷密度，从而提高了离子风的强度。在未来强化离子风的研究中，可以综合考虑电极的数目、排列方式和供电方式来提升离子风的强度。

图2 扩展电极强化离子风的装置示意图

图3 DBD离子风激励器改进示意图

​3 消除带电粒子的影响

在使用离子风对集成电路的电子元件冷却时，由于离子风携带的带电粒子在壁面上的沉积，可能会导致绝缘下降，还会对电子设备产生电磁干扰。为了消除带电粒子的影响，可以采用双极性电极产生离子风。

图4a是Van T. D.等采用双极性针电极产生中性离子风，这是因为不同极性的带电粒子自中和，消除离子风的带电性。虽然这种方式可以消除带电粒子的影响，但离子风强度较低。因此为了提高双极性离子风的强度，Wang Ronggang等在两个针之间加SiO2电介质，在出口设置接地电极环，图4b所示装置产生的离子风强度可以达到普通双针电极的5倍。

图4 双极性离子风激励器

​4 装置小型化

电子设备微型化的发展趋势，限制了其冷却装置的体积，因此离子风装置小型化也成为近年来离子风激励器的发展趋势之一。C. P. Hsu等采用硅晶体制备了微型悬臂式电晕放电离子风激励器冷却加热板，电极间距4~5mm，电压为8.5kV时，温度降可达25℃，证明了离子风激励器小型化的可行性。

Jewell-Larsen等采用线-板式电极结构，电极间距2~6mm，最大流量可达100L/min。A. O. Ong等采用的线-网电极集成式离子风激励器，电极间距可达到0.5mm，对CPU进行冷却具有比传统风扇更好的冷却效果，如图5所示。

通过减小电极间距，既可以实现离子风激励器的小型化，又可以在一定程度上提高离子风的强度，但林岑等的不同电极形式的离子风散热效果实验表明，通过减小间距提升离子风强度需要综合考虑电极形式，否则可能导致离子风的应用效果降低。

图5 线-网电极阵列离子风激励器

上述研究都是通过减小电极间距来实现离子风泵的微型化，也可以从供电方式上实现激励器的小型化。图6是交流供电的两种离子风激励器，图6a是A. M. Drews等在针-环电极之间施加交流电产生离子风，实验结果表明，供电频率较高时，离子风的强度与电极间距无关。这一研究结果为将来将离子风激励器作为集成电路的冷却方式提供了思路。

图6b所示为V. T. Dau等对双针电极施加交流电，这种结构没有地电极，一定程度上减小了激励器的体积，并且这种双针结构可产生中性的离子风，消除带电粒子的影响。电极形状、材料对离子风是否存在影响也需要进一步研究。

图6 交流离子风激励器

​5 降低电压等级

气体放电所需的高电压一定程度上提高了离子风的使用条件，因此在尽可能不降低离子风强度的前提下，降低放电电压等级，对扩大离子风的应用范围意义重大。目前已有不少学者提出了低压离子风方案。

Tirumala等采用的针—初始电极—扩展电极，可以有效降低起晕电压。也可采用新型供电单元，如图7所示，M. J. Johnson等使用压电变压器为电晕电极产生离子风。压电晶体既可以作为发射极也可以作为收集极，作为收集极时，最低电压可降低至7V，可产生离子风的风速大约为0.3m/s，作为发射极时，离子风的风速最大可达到0.8m/s。同样也可以考虑使用热电或光电变压器作为供电单元产生离子风。

改变供电方式也可以在一定程度上降低电压等级，如图8所示，S. Sato等使用多电极DBD结构，并采用DC叠加脉冲驱动的方式，有效降低了离子风驱动电压。

上述研究从电极数量、电极材料和供电方式等方面降低产生离子风所需电压，也可以从电极间距、电极的排列方式等角度降低电压，但不同电极形式的运行工况不同，需要进一步探究。

图7 压电晶体做收集极和发射极示意图

图8 多电极DBD离子风激励器

​6 防止电极腐蚀

离子风激励器的电极腐蚀问题直接关系到装置的使用寿命和维护成本，所以寻找新的电极材料是离子风研究领域的迫切问题之一。现有的离子风激励器采用的电极大多是不锈钢、铜电极。当离子风激励器产生离子风时，电极附近发生的复杂碰撞电离，会电离出能腐蚀电极的化学物质。

防止电极腐蚀一般有两种方法：①使用抗腐蚀且导电良好的材料，例如C. P. Hsu等和C. G. Noll等使用的硅、锗针电极都具有很好的抗腐蚀性；M. J. Johnson等采用的压电晶体和刘文正等采用的碳纤维电极也有着较强的抗腐蚀性。②在高压电极上覆盖抗腐蚀涂层，Ye Jianchun等在高压电极上覆盖TiO2/CNT涂层既可以起到抗腐蚀的作用，同时又提高了离子风的风速。

除了上述方法外，也可以采用合金作为电极材料。电极材料掺杂比例、加工方式可作为离子风激励器电极的优化方向之一。

​以上研究成果发表在2021年第13期《电工技术学报》，论文标题为“离子风的应用研究进展”，作者为张明、李丁晨 等。