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Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit schichtartig ausgebildeten Elektrodenelementen und mit mindestens einer zwischen den Elektrodenelementen angeordneten dielektrischen Schicht, die mindestens ein dielektrisches Material aufweist, wobei das dielektrische Material oder zumindest eines der dielektrischen Materialien ein Elastomer-Material oder eine Flüssigkeit ist.
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Stand der Technik
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Derartige Kondensatoren sind zum Beispiel als gängige metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren bekannt. Diese weisen zwei schichtartig ausgebildete Elektrodenelemente und mindestens eine zwischen den Elektrodenelementen angeordnete Kunststoffschicht aus einem dielektrischen Material auf.
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Aus der
DE 10 2009 059 024 A1 ist ein Kondensator bekannt, wobei der Kondensator Elektroden aufweist, wobei zwischen den Elektroden eine Schicht aus elektroaktivem Polymer angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Beim erfindungsgemäßen Kondensator ist vorgesehen, dass in dem Elastomer-Material oder in der Flüssigkeit eine Vielzahl von gasgefüllten Volumina angeordnet ist. Die Kapazität eines derartigen Kondensators kann stark durch von außen auf den Kondensator einwirkende Kräfte beziehungsweise Drücke senkrecht zu den Schichtebenen variiert werden. Der Kondensator ist also ein Kondensator, dessen Kapazität stark von einem solchen äußeren Druck abhängt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kapselung der Volumina durch das dielektrische Material selbst erfolgt. Ein solches dielektrisches Material ist insbesondere ein Schaumstoff aus Elastomer-Material. Ein solcher Schaumstoff weist eine Vielzahl von Poren auf.
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Alternativ ist – ebenfalls mit Vorteil – vorgesehen, dass eine Kapselung der Volumina mittels Hüllen aus einem vom dielektrischen Material unterscheidbaren anderen Material erfolgt. Diese Hüllen sind dünnwandig ausgeführt, damit sie unter äußerem Druck durch elastisches Beulen reversibel das eingeschlossene Volumen verringern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Elastomer-Material ein Kautschuk und/oder ein vernetztes Polyurethan und/oder ein Silikon und/oder ein thermoplastisches Elastomer-Material ist.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine die Volumina aufweisende Elastomer-Material als ein offenzelliger Schaumstoff ausgebildet ist. Bei einem offenzelligen Schaumstoff sind die die Volumina begrenzenden Wände nicht geschlossen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Elastomermaterial auch von beidseitig zu den Rändern hin offenen Kapillarstrukturen durchzogen sein.
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Alternativ dazu ist – ebenfalls mit Vorteil – vorgesehen, dass das mindestens eine die Volumina aufweisende Elastomer-Material als ein geschlossenzelliger Schaumstoff ausgebildet ist. Bei einem geschlossenzelligen Schaumstoff sind die die Volumina begrenzenden Wände zwischen den einzelnen Zellen komplett geschlossen.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der Kondensator als Plattenkondensator, als Kondensator-Stapelfolge (Kondensator-Stack) oder als Wickelkondensator ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Elastomer-Material oder in der Flüssigkeit eine Vielzahl von pulverförmigen Partikeln aus einem weiteren dielektrischen Material angeordnet sind. Dabei weist das weitere dielektrische Material insbesondere eine höhere Dielektrizitätskonstante auf als das Elastomer-Material beziehungsweise die Flüssigkeit.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das weitere dielektrische Material Bariumtitanat (BaTiO3) ist. Bariumtitanat weist eine relative Dielektrizitätskonstante εr von mehr als 10000 auf.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator oder einen Aktor. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass diese zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie mindestens einen vorstehend genannten Kondensator aufweist. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung also auch die Verwendung des vorstehend genannten Kondensators zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie in einer elektrischen Maschine, insbesondere in einer als Generator oder als Aktor ausgebildeten elektrischen Maschine. Besonders bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vorgesehen, dass diese zur Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie mindestens einen vorstehend beschriebenen Kondensator aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines als Plattenkondensator ausgebildeten Kondensators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in expandiertem Zustand und
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2 eine Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Kondensators in einem durch äußere Kräfte komprimierten Zustand.
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Die 1 zeigt einen als Plattenkondensator 10 ausgebildeten Kondensator 12 mit schichtartig ausgebildeten Elektrodenelementen 14, 16 und mit einer zwischen den Elektrodenelementen 14, 16 angeordneten dielektrischen Schicht 18, die mindestens ein dielektrisches Material aufweist. Die Elektrodenelemente 14, 16 sind als Folien beziehungsweise Platten aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Die dielektrische Schicht 18 ist als Schaumstoffschicht 20 mit Poren 22 ausgebildet. Die Poren 22 sind mit Gas gefüllt und die Elektrodenelemente 14, 16 oder zumindest eines der Elektrodenelemente 14, 16 sind/ist flexibel ausgebildet, sodass der Kondensator 12 entlang der Schichtfolge aus Elektrodenelementen 14, 16 und dielektrischer Schicht 18 komplett oder auch nur bereichsweise mechanisch komprimierbar ist. Die Poren 22 können dabei als Mikroporen und/oder als Mesoporen und/oder als Makroporen ausgebildet sein. In jeder der Poren 22 ergibt sich ein jeweiliges Volumen 24 das – wie bereits erwähnt – jeweils mit Gas gefüllt ist. Prinzipiell könnten die Poren 22 bei einem Einsatz des Kondensators 12 im Vakuum natürlich auch evakuiert sein.
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Das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 18 ist ein Elastomer-Material, in dem die Vielzahl der gasgefüllten Volumina 24 angeordnet ist. Dabei erfolgt die Kapselung der Volumina 24 durch das dielektrische Material selbst. Dieses die Volumina 24 aufweisende Elastomer-Material der dielektrischen Schicht 18 ist dabei als eine Schicht aus geschlossenzelligem Schaumstoff ausgebildet (geschlossenzellige Schaumstoffschicht 20), bei dem die Volumina 24 oder zumindest der überwiegende Teil der Volumina 24 voneinander vollständig durch das dielektrische Material (also hier das Elastomer-Material) getrennt sind. Das Elastomer-Material ist bevorzugt ein Kautschuk und/oder ein vernetztes Polyurethan und/oder ein Silikon und/oder ein thermoplastisches Elastomer-Material.
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Alternativ zur gezeigten Ausbildung der Schaumstoffschicht 20 als Schicht aus geschlossenzelligem Schaumstoff kann die Schaumstoffschicht 20 auch als Schicht aus offenzelligem Schaumstoff ausgebildet sein. Dabei ergeben sich Kanäle zwischen den Porenstrukturen und auch zu den Seitenflächen der dielektrischen Schicht 18 hin.
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In dieser Ausführungsform trägt fast ausschließlich das dielektrische Material zur Dielektrizität der dielektrischen Schicht 18 bei. In einer alternativen Ausführungsform sind in dem Elastomer-Material eine Vielzahl von pulverförmigen Partikeln aus einem weiteren dielektrischen Material angeordnet (nicht gezeigt). Das weitere dielektrische Material weist bevorzugt eine höhere Dielektrizitätskonstante auf als das dielektrische Material, also hier das Elastomer-Material.
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Alternativ zu der in den Figuren gezeigten Ausführungsform, bei der die Kapselung der Volumina 24 durch das dielektrische Material selbst erfolgt, kann die Kapselung der Volumina 24 auch mittels im dielektrischen Material angeordneten Hüllen aus einem vom dielektrischen Material unterscheidbaren anderen Material erfolgen (nicht gezeigt).
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Alternativ zur Verwendung von Elastomer-Material als dielektrischem Material kann auch eine Flüssigkeit als dielektrisches Material verwendet werden. Insbesondere bei dieser Alternative erfolgt die Kapselung der Volumina 24 mittels im dielektrischen Material angeordneten Hüllen aus einem vom dielektrischen Material unterscheidbaren anderen Material. Zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante können in der Flüssigkeit Tröpfchen oder pulverförmige Feststoffe mit einer höheren relativen Dielektrizitätskonstanten als die der Flüssigkeit selbst dispergiert sein.
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Die 2 zeigt den in 1 gezeigten Kondensator in einem durch äußeren Druck beziehungsweise durch äußere Kräfte F (Pfeile 26) komprimierten Zustand. Durch die Kraft F verringert sich der Abstand der Elektrodenelemente 14, 16 zueinander beziehungsweise die Dicke D der dielektrischen Schicht 18 von einem Wert D2 der in 1 gezeigten expandierten Schicht 18 auf einen geringeren weiteren Wert D1 der in 2 gezeigten komprimierten Schicht 18 (D1 < D2). Mit Abnahme der Dicke D ändert sich auch die Kapazität C des Kondensators 12. Im komprimierten Zustand mit der Dicke D1 ergibt sich eine höhere Kapazität C1 als im expandierten Zustand mit der Dicke D2 und der Kapazität C2 der dielektrischen Schicht 18.
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Allgemein gilt: Beaufschlagt man eine dünne, flächig aufgebrachte dielektrische Schicht 18 quer, insbesondere Senkrecht zur Oberfläche mit einer Flächenpressung Δp, so kann sich das dielektrische Material lateral (d. h. in der Fläche) nicht ausdehnen. Aufgrund der Querdilatationsbehinderung ergibt sich die Steifigkeit Δd/Δp des Dielektrikums aus seinem Kompressionsmodul λ: ΔV /Δp = –V·λ (1) mit V = A·D = Volumen der dielektrischen Schicht, beziehungsweise ΔD/Δp = –D·λ (2) da die Fläche A der dielektrischen Schicht (des Dielektrikums) konstant bleibt.
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Dünne, flächige Schichten aus einem kompakten dielektrischen Material (auch aus Elastomeren) sind sehr steif und für die gewünschten Kondensatoren 12 mit erwünschter stark kraftabhängiger Kapazität ungeeignet.
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Für einen Kondensatoren 12 mit erwünschter stark kraftabhängiger Kapazität werden bevorzugt als dielektrisches Material Elastomere aus Kautschuken oder vernetzten Polyurethanen oder Silikonen und thermoplastische Elastomere (im Folgenden pauschal als Elastomere bezeichnet) verwendet, die zusätzlich eine Porenstruktur aufweisen, zum Beispiel offen- oder geschlossenzellige Schaumstoffe. Ebenfalls bevorzugt werden Flüssigkeiten mit darin dispergierten elastischen Hohlkugeln als Hüllen der Volumina 24 verwendet.
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Derartige Hohlkugeln sind beispielsweise auf Basis von Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid mit Durchmessern von ca. 40 µm und Wandstärken von 1 µm auf Polyacrylnitril im Handel erhältlich.
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Selbstverständlich können geschlossenzellige Elastomerschäume ebenfalls durch Einbringen von elastischen Hohlkugeln nach geeigneten und bekannten Verfahren erzeugt werden.
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Die beschriebenen Materialien zeichnen sich durch eine hohe Kompressibilität, ausgedrückt durch ihren Kompressionsmodul k, aus. Die Kompressibilität kann über das relative Porenvolumen des Elastomers bzw. das relative Gasvolumen der Hohlkugeln in der Flüssigkeit über einen weiten Bereich eingestellt werden.
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Im Falle von offenporigen Elastomer-Schaumstoffen entweicht bei Kompression ein Teil des eingeschlossenen Gases über die Ränder des Kondensators 12. Im Falle von geschlossenporigen Elastomer-Schaumstoffen wird bei der Kompression im wesentlichen das eingeschlossene Gas und nicht das Elastomer-Material komprimiert. In den in Flüssigkeiten dispergierten elastischen Hohlkugeln werden unter Druck die in den Hohlkugeln eingeschlossenen Gase komprimiert (wobei die Hohlkugeln elastisch, d. h. reversibel Beulen).
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Da die Kapazität eines Kondensators 12 proportional mit der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht 18 zunimmt, bietet es sich an, entweder Elastomere und Flüssigkeiten mit hoher Dielektrizitätskonstante zu wählen und/oder die Dielektrizitätskonstante der Elastomere und Flüssigkeiten durch Eindispergieren von pulverförmigen Materialien mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante weiter zu erhöhen.
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Da die in den Elastomeren bzw. Flüssigkeiten eingeschlossenen Gase niedrigere relative Dielektrizitätskonstanten (etwa 1) als diese Elastomere bzw. Flüssigkeiten besitzen, weisen die Elastomerschaumstoffe und Hohlkugeldispersionen in Flüssigkeiten im komprimierten Zustand höhere Dielektrizitätskonstanten εr1 auf als im expandierten Zustand (εr2). Dadurch unterscheiden sich gemäß ΔC = ε0·A ·(εr1/D1 – εr2/D2) (3) die Kapazitäten der Schichtfolge im komprimierten und expandierten Zustand noch stärker als dies bei einer konstanten relativen Dielektrizitätskonstante der Fall wäre.
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Viele elastische Kunststoffe besitzen eine höhere elektrische Durchschlagfestigkeit als Luft. Deshalb bietet es sich an, die Schaumstrukturen beziehungsweise Hohlkugeln mit solchen Gasen zu füllen bzw. herzustellen, die im Vergleich zu Luft ebenfalls eine höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisen (beispielsweise wurde früher SF6 als Gas zur Vermeidung von Lichtbögen in Hochspannungsschaltern eingesetzt).
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine (nicht gezeigt), insbesondere einen Generator. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass diese zur Energiewandlung mindestens einen vorstehend genannten Kondensator 12 aufweist. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung also auch die Verwendung des vorstehend genannten Kondensators 12 zur Energiewandlung in einer elektrischen Maschine, insbesondere in einem Generator. Aber auch die umgekehrte Anwendung der Maschine als Aktor ist möglich. Hierbei ziehen sich die Kondensatorplatten (als Platten ausgebildete Elektrodenelemente 14, 16) beim Anlegen einer elektrischen Spannung gegenseitig an, wobei das dazwischen liegende Dielektrikum komprimiert wird.
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Die elektrische Maschine weist in einigen Ausführungsformen als Generator weiterhin einen Aktor zum komprimieren des Kondensators 12 und eine Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Energiespeicher auf, in der der Kondensator 12 zuschaltbar verschaltet ist.
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Bei dem Generator wird eine periodisch variierende Kraft F(t) in einen periodisch variierenden Abstand D(t) zwischen den Elektrodenelementen 14, 16 des Kondensators 12 umgesetzt. Dadurch ändert sich gemäß der Beziehung C(t) = ε0·εr(t)·A/D(t) (4) die Kapazität C(t) des Kondensators 12 bei gleichbleibender Fläche A der Elektrodenelemente in Abhängigkeit vom Abstand D(t) der elektrisch leitfähigen Elektrodenelemente 14, 16 und eventuell der relativen Dielektrizitätskonstante εr(t) der dielektrischen Schicht 18 ebenfalls periodisch (ε0 ist die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums).
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Wird ein derartiger Kondensator 12 im komprimierten Zustand (kleines D1, hohes C1) elektrisch von 0 Volt bis zu einer vorgegebenen Spannung U1 aufgeladen, so nimmt er eine Ladungsmenge Q = C1·U1 (5) auf.
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Verändert ein Aktor der elektrischen Maschine seine Position derart, dass sich die Dicke auf D2 erhöht (expandierter Zustand, D2 > D1), so verringert sich entsprechend die Kapazität des Kondensators 12 auf einen Wert C2 mit C2 < C1. Wird der Kondensator 12 vor der Abstandserhöhung vom Stromkreis der Schaltungsanordnung abgetrennt, so bleibt seine Ladungsmenge während des Expansionsvorgangs konstant. Durch die Verringerung der Kapazität auf C1 steigt die Spannung von U1 auf U2 = Q/C2 (6)
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Wird der Kondensator 12 im expandierten Zustand (Plattenabstand D2) vollständig entladen, so ist die freigesetzte elektrische Energie E2 = 1/2·Q·U2 (7) höher als die zum Aufladen auf U1 aufgewendete Energie E1 = 1/2·Q·U1 (8) da der Aktor die Arbeit E2 – E1 zur Ladungstrennung verrichtet hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009059024 A1 [0003]
