DE102009008998A1

DE102009008998A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Hochspannungen und Verwendung eines demgemäßen Hochspannungsgenerators

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Publication number: DE102009008998A1
Application number: DE102009008998A
Authority: DE
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2009-02-14
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2029-02-15
Also published as: DE102009008998B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungen durch Temperaturänderungen in pyroelektrischen Materialien, das es ermöglicht, EMV-verträglich vergleichsweise genaue Hochspannungen bzw. Hochspannungsverläufe zu erzeugen. Die Anordnung zum Verfahren eignet sich besonders als Hochspannungsquelle für Elektrofilter in durchströmten Luftkanälen. Erfindungsgemäß werden Hochspannungen mit konstanten Sollwerten oder Hochspannungssignale mit variierenden Sollwerten durch Ändern der Temperatur mindestens zweier in thermischem Kontakt stehender pyroelektrischer Substrate erzeugt. Zur Erzeugung sehr hoher Spannungen können mindestens zwei Substrate (1) in Serie geschaltet werden. Hierzu wird eine Anordnung eingesetzt, bei der jedes der mindestens zwei Substrate (1) in thermischem Kontakt mit mindestens einem anderen Substrat (1) und/oder mit mindestens einer Temperierquelle (3) steht, wobei jedes der Substrate (1) mit Elektroden (2) zum Abgreifen der pyroelektrischen Spannung versehen ist. Die Temperierquellen (3) und Substrate (1) werden bevorzugt in Form eines Stapels angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von positiven und/oder negativen Hochspannungen mit konstantem oder variierendem Spannungspegel durch Temperaturänderungen in pyroelektrischen Materialien, das es ermöglicht, Hochspannungen bzw. Hochspannungsverläufe mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand zu erzeugen. Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens eignet sich besonders als Hochspannungsquelle für elektrisch gesteuerte Ablenksysteme und für die Erzeugung von definierten Zündfunken. Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Hochspannungsquelle als Elektrostatik-Filter wird vorgestellt Das Verfahren beruht auf dem pyroelektrischen Effekt, unter dem man die Eigenschaft piezoelektrischer Kristalle versteht, auf eine Temperaturänderung mit Ladungstrennung zu reagieren, d. h. beim Erwärmen bzw. Abkühlen solcher Kristalle laden sich ihre gegenüberliegenden Flächen mit unterschiedlichem Vorzeichen elektrisch auf. Die hierdurch entstehenden Spannungen können mit Hilfe von Elektroden abgegriffen werden. Wie auch beim piezoelektrischen Effekt sind diese Spannungen vergleichsweise hoch, sodass sich mit Hilfe von pyroelektrischen Kristallen auf kleinem Raum sehr hohe Spannungen von bis zu mehreren 100.000 V erzeugen lassen.
Bekannte pyroelektrische Materialien sind Minerale der Turmalingruppe, Quarz, LiTaO3, LiNbO3, BaTiO3, PbTiO3, SrBaNbO3, NaNO2, Triglycinsulfat und Polyvinylidenfluorid.
Verfahren und Anordnungen, die den pyroelektrischen Effekt zur Erzeugung von Hochspannungen ausnutzen und technisch anwendbar machen sind bereits bekannt.
In US 4 425 540 wird ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von positiven oder negativen Hochspannungen mit konstantem oder variierendem Spannungspegel durch Änderung der Temperatur von pyroelektrischen Substraten, wobei die Temperatur von mindestens zwei miteinander in thermischen Kontakt stehenden Substraten temperatur- oder spannungsgeregelt geändert wird, offenbart.
Aus US 5 644 184 ist ebenfalls eine Vorrichtung bekannt, die unter Ausnutzung des pyroelektrischen Effektes aus thermischer Energie elektrische Energie erzeugt.
In DE 197 45 316 C2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungen, die durch erwärmen und abkühlen von pyroelektrischen Material erzeugt werden, offenbart, die zur Ionisation von Gasen vorgesehen ist.
Mit US 6 657 358 wird eine geregelte Spannungsquelle beschrieben, die eine pyroelektrische Kapazität beinhaltet, welche zur Integration in einen integrierten Schaltkreis (IC) geeignet sein soll.
Am häufigsten findet der pyroelektrischen Effekt in der Sensorik bei der Herstellung von hochempfindlichen Infrarotsensoren, die üblicherweise in Bewegungsmeldern, Feuermeldern, Thermometern und Kaloriemetern eingesetzt werden, Verwendung. Außerdem wird der pyroelektrische Effekt für den Bau von Hochspannungsquellen genutzt, die häufig für Röntgenquellen, Ionisatoren und für Versuche zur kalten Fusion verwendet werden.
Ein anderes Anwendungsgebiet von Hochspannungen ist die Filtertechnik. Zur energieeffizienten Filterung von speziell durch Kleinpartikel belasteten Luft- oder Gaskanälen werden Elektrofilter zur Partikelabscheidung eingesetzt. In diesen Filtersystemen werden Kleinstpartikel durch Kanalführung über ein elektrostatisches Feld, erzeugt durch einen Hochspannungsgenerator und Spitzenelektroden elektrostatisch geladen und an einer nach geschalteten Niederschlagselektrode bzw. Kollektor abgeschieden. Bislang erfolgt die Erzeugung der Hochspannung für diese Anwendung durch Schaltwandler und nachgeschaltete Kaskaden. Nachteilig ist, dass diese Generatoren durch hochfrequente Schaltzyklen EMV-kritische Störaussendungen erzeugen und schaltungstechnisch und in Bezug auf Ihre Bauteileanzahl sehr aufwendig und damit kostenintensiv sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Erzeugung von bipolaren Hochspannungen durch Temperaturänderungen in pyroelektrischen Materialien gefunden werden, das es ermöglicht, sowohl statische Hochspannungen als auch Hochspannungsverläufe zu erzeugen, deren Spannungswerte vergleichsweise genau den Sollwerten entsprechen. Zudem soll ein kontinuierlicher Betrieb einer entsprechenden Anordnung möglicht werden. Die Anordnung soll weiterhin kostengünstig und unkompliziert aufgebaut sein.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Verfahrensansprüche 1 bis 4 und die Sachansprüche 5 bis 8 gelöst. Eine Verwendung der Erfindung wird durch den Anspruch 9 offenbart.
Die Erfindung realisiert eine kontinuierliche und gleichzeitige Erzeugung von bipolaren Hochspannungen mit konstantem oder variierendem Spannungspegel durch Änderung der Temperatur von pyroelektrischen Substratpaaren.
Die Anordnung zur kontinuierlichen und gleichzeitigen Erzeugung von bipolaren Hochspannungen mit pyroelektrischen Substratpaaren ist dadurch charakterisiert, dass die Temperatur von zwei miteinander in thermischem Kontakt stehenden Substraten und gegensinniger Substratausrichtung temperatur- oder spannungsgeregelt synchron geändert wird.
Stehen die Substratpaare in keinem thermischen Kontakt, so ist vorgesehen die Temperaturänderung ebenfalls synchron zu ändern, wenn die Ausrichtung der Substrate gegensinnig ist.
Für den Fall, dass die Substratpaare in keinen thermischen Kontakt zueinander stehen und die Orientierung der Substrate gleichsinnig ist, so ist vorgesehen die Substrate wechselweise zu beheizen und zu kühlen, um die gewünschte bipolare Spannung zu erhalten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung wird eine kontinuierlich und gleichzeitig die Erzeugung einer bipolaren Hochspannung realisiert. Mit überraschender Effektivität vermeidet der Einsatz eines pyroelektrischen Hochspannungsgenerators im Elektrostatik-Filter die genannten Nachteile der bisher üblichen Methoden. Mittels pyroelektrischem Spannungsgenerator ist eine kontinuierliche Filterwirkung im durchströmten Luftkanal möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von vier Ausführungsbeispielen näher erläutert; hierzu zeigen in seitlicher Schnittansicht:
1: eine stapelförmige Anordnung zur Erzeugung von Hochspannungen mit zwei in thermischen Kontakt stehenden und gegensinnig ausgerichteten Substraten;
2: eine stapelförmige Anordnung mit vier in thermischen Kontakt stehenden und gegensinnig ausgerichteten Substraten als Schichtung;
3: eine Anordnung mit zwei gegensinnig ausgerichteten Substraten, bei der die Substrate nebeneinander angeordnet sind mit Parallelversorgung der Temperierquelle/Widerstandsheizer;
4: eine Anordnung mit zwei gleichsinnig ausgerichteten Substraten, bei der die Substrate nebeneinander angeordnet sind mit Wechselversorgung der Temperierquelle/Widerstandsheizer.
Die Substrate 1 besitzen zum Abgriff der beim pyroelektrischen Effekt entstehenden Spannung je einen Kontakt 2. Die Änderung der Temperatur innerhalb des Substrates 1 wird über eine/n Temperierquelle/Widerstandsheizer 3 gewährleistet. Die Versorgung der Temperierquelle/Widerstandsheizer 3 erfolgt bei einer stapelförmigen Substratanordnung über durchgreifende Kontakte 4. Die gesamte Anordnung wird von einem Trägerelement 5 getragen (1 und 2).
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Temperatur von zwei miteinander in thermischem Kontakt stehenden Substraten 1 und gegensinniger Substratausrichtung aus gleichorientierten Substratschichtungen bestehen, dies veranschaulicht 2.
Erfindungsgemäß kann die Temperatur von zwei miteinander nicht in thermischem Kontakt stehenden Substraten 1 und gegensinniger Substratausrichtung (3) auch temperatur- oder spannungsgesteuert synchron geändert werden. Die hierfür eingesetzte Anordnung ändert die Temperatur von zwei miteinander nicht in thermischem Kontakt stehenden Substraten 1 und gegensinniger Substratausrichtung (3) temperatur- oder spannungsgeregelt synchron. Die Versorgung der Temperierquelle/Widerstandsheizer 3 erfolgt in diesem Fall über aufliegende Kontakte 6 (3 und 4).
Weiterhin ist die Anordnung und das Verfahren dadurch charakterisiert, dass die Temperatur von zwei miteinander nicht in thermischem Kontakt stehenden Substraten und gleichsinniger Substratausrichtung (4) in Bezug auf Temperatur oder Spannung im Wechselbetrieb geändert wird. Dies wird durch einen Wechselschalter 7, welcher als Halbleiter oder als elektromechanischer Kontakt realisiert sein kann, gewährleistet. Dieser schaltet die Temperierquelle/Widerstandsheizer 3 wechselseitig ein und aus.

1: Substrat
2: Kontakte
3: Temperierquelle/Widerstandsheizer
4: durchgreifende Kontakte
5: Trägerelement
6: aufliegende Kontakte
7: Wechselschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4425540 [0004]
- US 5644184 [0005]
- DE 19745316 C2 [0006]
- US 6657358 [0007]

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen und gleichzeitigen Erzeugung von bipolaren Hochspannungen mit konstantem oder variierendem Spannungspegel durch Änderung der Temperatur von pyroelektrischen Substratpaaren, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Substrate temperatur- oder spannungsgesteuert oder -geregelt geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von zwei miteinander in thermischem Kontakt stehenden Substraten, deren Substratausrichtung gegensinnig ist, temperatur- oder spannungsgesteuert oder -geregelt geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von zwei nicht in thermischem Kontakt stehenden Substraten, deren Substratausrichtung gegensinnig ist, temperatur- oder spannungsgesteuert oder -geregelt synchron geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von zwei nicht in thermischem Kontakt stehenden Substraten, deren Substratausrichtung gleichsinnig ist, im Wechselbetrieb temperatur- oder spannungsgesteuert oder -geregelt geändert wird.
Anordnung zur kontinuierlichen und gleichzeitigen Erzeugung von bipolaren Hochspannungen mit konstantem oder variierendem Spannungspegel durch Änderung der Temperatur von pyroelektrischen Substratpaaren, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei paarweise zueinander angeordnete Substrate aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Substrate in thermischen Kontakt stehen und deren Substratausrichtung gegensinnig ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Substrate nicht in thermischen Kontakt stehen und deren Substratausrichtung gleichsinnig ist.
Anordnung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate eine gleichorientierte Schichtung von Substraten darstellen.
Anordnung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Elektrostatik-Filtersystem verwendet wird.