DE102020124138A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung, aufweisend ein Peltier-Element (1), eine Elektrode (2), die gegenüberliegt dem Peltier-Element (1) angeordnet ist, und eine Hochspannungsquelle (12), die dazu ausgestaltet ist, zwischen dem Peltier-Element (1) und der Elektrode (2) eine Hochspannung zu erzeugen, die zur Zündung der dielektrischen Barriereentladung ausreicht. Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung, ein Gerät, das eine derartige Vorrichtung aufweist, sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung.
  • Dielektrische Barriereentladungen werden oftmals in Ozongeneratoren eingesetzt, bei denen durch eine Flächenentladung Ozon aus einem Luftstrom generiert werden soll. Ein Luftstrom, der das Prozessgas bildet, aus dem Ozon erzeugt wird, dient dabei oftmals auch zur Kühlung der Vorrichtung. Um ein Überhitzen der Vorrichtung zu vermeiden, ist eine Mindestluftmenge erforderlich, die zu einer Verdünnung des erzeugten Ozons führt, wodurch die erzeugbare Ozonkonzentration begrenzt bleibt.
  • Bei medizinischen Anwendungen kann eine sehr hohe Ozonkonzentration von mehr als 10000 ppm vorteilhaft sein. Eine hohe Ozonkonzentration hat auf Mikroorganismen eine starke Wirkung und kann die Zeit bis zu einem vollständigen Abtöten einer Anfangspopulation stark senken. Werden Mikroorganismen für eine kurze Zeit einer hohen Ozonkonzentration ausgesetzt, überwiegen die Effekte an der Oberfläche des exponierten Materials. Kleine Strukturen, beispielsweise Viren mit einer Ausdehnung von etwa 50 nm und Bakterien mit einer Ausdehnung von weniger als 1 µm werden bei kurzer Exposition bei hoher Ozonkonzentration stark geschädigt. Dickere Strukturen, wie zum Beispiel die menschliche Haut, sind gegenüber der kurzen Exposition tolerant, da die Wirktiefe diffusionslimitiert bei der kurzen Exposition sehr gering bleibt. Um Mikroorganismen abzutöten, ohne dabei die menschliche Haut zu schädigen, ist es vorteilhaft, diese für eine sehr kurze Zeit einer hohen Ozonkonzentration auszusetzen, um eine keimabtötende Wirkung auf der Oberfläche zu erreichen, die sich nur geringfügig auf das Volumen auswirkt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung anzugeben. Die Vorrichtung sollte es beispielsweise ermöglichen, Ozon mit einer hohen Konzentration zu erzeugen, ohne dabei zu überhitzen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung vorgeschlagen, die ein Peltier-Element, eine Elektrode und eine Hochspannungsquelle aufweist. Die Elektrode ist gegenüber dem Peltier-Element angeordnet. Die Hochspannungsquelle ist dazu ausgestaltet, zwischen dem Peltier-Element und der Elektrode eine Hochspannung zu erzeugen, die zur Zündung der dielektrischen Barriereentladung ausreicht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung, bei der ein Peltier-Element als Gegenelektrode wirkt, wobei zwischen der Elektrode und dem als Gegenelektrode wirkenden Peltier-Element die dielektrische Barriereentladung gezündet werden kann. Die dielektrische Barrierentladung kann als Flächenentladung oder als Volumenentladung gezündet werden.
  • Das Peltier-Element kann dabei ein Prozessgas kühlen. Ein starker Strom des Prozessgases zur Kühlung des Entladungsbereiches ist daher nicht mehr erforderlich. Daher kann nunmehr ein hohe Ozonkonzentration, von beispielsweise mehr als 10000 ppm in der dielektrischen Barriereentladung erreicht werden, da es nicht mehr zu einer Verdünnung der Ozonkonzentration kommt.
  • Das Peltier-Element ermöglicht es zudem, eine Temperatur des Prozessgases bei der dielektrischen Barriereentladung einzustellen. Die Temperatur des Prozessgases hat eine wesentliche Auswirkung auf die Zusammensetzung des bei der dielektrischen Barriereentladung erzeugten Gases. Insbesondere der Anteil von erzeugtem Ozon und erzeugten nitrosen Gasen wird durch die Temperatur bestimmt. Das Peltier-Element ermöglicht es damit, die erzeugte Konzentration und die erzeugten Mengen von reaktiven Spezies in der dielektrischen Barriereentladung einzustellen. Diese können darüber hinaus stabil gehalten werden, da das Peltier-Element eine thermische Drift verhindert. Die Vorrichtung ermöglicht somit eine genau definierte Gaszusammensetzung durch die dielektrische Barriereentladung zu erzeugen. Dieses ist beispielsweise bei medizinischen Anwendungen entscheidend.
  • Das Peltier-Element kann es darüber hinaus auch ermöglichen, eine Feuchtigkeit des Prozessgases einzustellen. Beispielsweise kann das Peltier-Element vor der dielektrischen Barriereentladung das Prozessgas abkühlen und dabei seine Feuchtigkeit reduzieren. Auch die Feuchtigkeit des Prozessgases hat einen Einfluss auf die Zusammensetzung und die Konzentration der bei der dielektrischen Barriereentladung erzeugten Spezies.
  • Bei der dielektrischen Barriereentladung kann eines ausgewählt aus Elektrode und Peltier-Element auf einem Hochspannungspotential liegen und das jeweils andere kann auf einem Niederspannungspotential oder einem Massepotential liegen. Liegt die Elektrode auf dem Niederspannungspotential oder dem Massepotential kann die Elektrode durch eine beliebige, ausreichend kapazitive Oberfläche gebildet werden, die nahe des Peltier-Elements angeordnet ist.
  • Das Peltier-Element kann zwei oder mehr Halbleiterelemente aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei das Peltier-Element Metallbrücken aufweist, die die Halbleiterelemente mäanderförmig verbinden, wobei zwei zueinander benachbarte Halbleiterelemente an ihrer Oberseite oder an ihrer Unterseite durch eine Metallbrücke miteinander verbunden sind, wobei das Peltier-Element Keramikplatten aufweist, die die Metallbrücken bedecken.
  • Ferner kann das Peltier-Elemente eine schwach leitfähige Schicht aufweisen, die zwischen der Keramikplatten, die zur Elektrode weist, und den Metallbrücken angeordnet ist. Die schwach leitfähige Schicht kann unmittelbar die Metallbrücken und die Keramikplatte berühren. Die schwach leitfähige Schicht kann dabei Inhomogenität im Potential des Peltier-Elementes, die durch die inselförmigen Metallbrücken gebildet werden, ausgleichen. Die schwach leitfähige Schicht kann auf diese Weise dafür sorgen, dass eine Entladung homogen erfolgt. Zudem können durch die schwach leitfähige Schicht Entladungen an der Innenseite der Keramikplatte vermieden werden.
  • Die schwach leitfähige Schicht kann aus einer Metallisierung bestehen, beispielsweise aus Nickel. Die schwach leitfähige Schicht kann eine Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 25 nm und 75 nm, aufweisen. Ein spezifischer Widerstand der schwach leitfähigen Schicht kann zwischen 1×10-2 Ω×mm2/m und 1×10-1 Ω×mm2/m liegen. Ein Flächenwiderstand der schwach leitfähigen Schicht kann zwischen 0,2 Ω und 5 Ω liegen, vorzugsweise zwischen 1,0 Q und 2,0 Ω. Beispielsweise kann die schwach leitfähige Schicht aus einer dünnen 50 nm Schicht aus Nickel mit einem spezifischen Widerstand von 10-2 Ω×mm2/m bestehen, wobei sich ein Flächenwiderstand von 1.4 Ohm ergibt.
  • Die schwach leitfähige Schicht kann einen Widerstand aufweisen, der zumindest um den Faktor 100 größer ist als ein Widerstand der mäanderförmigen Verbindung der Halbleiterelemente über die Metallbrücken. Dadurch kann vermieden werden, dass ein elektrischer Gleichstrom, der über das Peltier-Element fließt, über die schwach leitfähige Schicht geleitet wird. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Verlustleistung durch einen Kurzschluss der in Serie geschalteten Peltier-Elemente vermieden werden. Die schwach leitfähige Schicht beeinträchtigt dementsprechend die Funktion des Peltier-Elementes nicht.
  • Die Hochspannungsquelle kann dazu ausgestaltet sein, an die Elektrode ein Hochspannungswechselpotential anzulegen. Die Vorrichtung kann ferner eine Gleichspannungsquelle aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, an das Peltier-Element eine Nieder-Gleichspannung anzulegen. Zwischen der Elektrode und dem Peltier-Element entsteht somit eine Hochspannung, durch die die dielektrische Barriereentladung ausgelöst wird. Dabei kann die Vorrichtung dazu ausgestaltet sein, die dielektrische Barriereentladung als Volumenentladung in einem Spalt zwischen dem Peltier-Element und der Elektrode zu zünden.
  • Das Peltier-Element kann an einer zur Elektrode weisenden Oberfläche eine Metallisierung aufweisen, wobei die Hochspannungsquelle dazu ausgestaltet ist, an das Peltier-Element ein Hochspannungspotential anzulegen. Die Elektrode kann auf einem Massepotential oder einem Potential nahe Masse liegen. In diesem Fall kann zwischen der Metallisierung und der Elektrode eine dielektrische Barriereentladung ausgelöst werden. Die dielektrische Barriereentladung kann als Flächenentladung an der Metallisierung zünden.
  • Die Vorrichtung kann zusätzlich einen Lüfter, der dazu ausgestaltet ist, ein Prozessgas durch den Spalt zwischen der Elektrode und dem Peltier-Element zu leiten, und/oder einen Kühlkörper aufweisen. Der Lüfter und der Kühlkörper können zusätzlich zu dem Peltier-Element zu einer Kühlung des Prozessgases beitragen.
  • Das Peltier-Element kann dazu ausgestaltet sein, ein Prozessgas zu kühlen oder zu heizen. Alternativ oder ergänzend kann das Peltier-Element dazu ausgestaltet sein, in einem Betriebszyklus eine Temperatur eines Prozessgases kontinuierlich zu ändern. Dabei kann das Prozessgas einen großen Temperaturbereich durchlaufen. Innerhalb dieses Temperaturbereichs werden dielektrische Barriereentladungen gezündet, wobei das gesamte Spektrum der Spezies von ROS zu RNS durchlaufen werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine besonders gründliche Desinfektion einer Oberfläche erreicht werden.
  • Die Elektrode und/oder das Peltier-Element können mit einer glasartigen Schicht überzogen sein. Bei der Schicht kann es sich um eine Schmelzglasur oder eine Aufbrennglasur handeln. Die Schicht kann chemisch und thermisch stabil sein und die Elektrode beziehungsweise das Peltier-Element vor oxidierenden Spezies schützen, die bei der dielektrischen Barriereentladung entstehen. Die Schicht kann dementsprechend eine Lebensdauer der Vorrichtung verlängern.
  • Das Peltier-Element kann einen Bereich aufweisen, der der Elektrode nicht unmittelbar gegenüberliegt. Dementsprechend kann das Peltier-Element eine größere flächige Ausdehnung aufweisen als die Elektrode. Die Vorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass ein Prozessgas zunächst über den Bereich des Peltier-Elementes geleitet wird, der der Elektrode nicht gegenüberliegt und erst dann in einem Entladungsbereich, in dem sich Peltier-Element und Elektrode gegenüberliegen, eintritt. In dem Bereich, der der Elektrode nicht unmittelbar gegenüberliegt, kann dann die Temperatur des Prozessgases von dem Peltier-Element geregelt werden. Beispielsweise kann durch ein Abkühlen des Prozessgases Feuchtigkeit aus dem Prozessgas auskondensiert werden und ein trockeneres Prozessgas erreicht werden.
  • Die Vorrichtung kann eine Ansteuerung aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, die Vorrichtung zunächst in einem Kühlbetrieb zu betreiben, in dem keine dielektrische Barriereentladung ausgelöst wird und eine Oberfläche der Vorrichtung unter einen Taupunkt abgekühlt wird, wobei ein Wasserfilm auf der Oberfläche durch Kondensation erzeugt wird und die Vorrichtung anschließend in einem Entladebetrieb betrieben wird, in dem die dielektrische Barriereentladung auf dem Wasserfilm erzeugt wird.
  • Die Vorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, in einem Heizbetrieb betrieben zu werden, bei dem keine dielektrische Barriereentladung ausgelöst wird und eine Oberfläche der Vorrichtung auf eine Temperatur von mehr als 100° erhitzt wird.
  • Die Vorrichtung kann zumindest einen Sensor ausgewählt aus einem Temperatursensor, einem Ozonsensor und einem Feuchtigkeitssensor aufweisen, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, eine Leistung des Peltier-Elements und/oder eine Leistung der Hochspannungsquelle unter Berücksichtigung einer Messung des zumindest einen Sensors anzupassen. Durch die Regelung der Leistung der Hochspannungsquelle kann eine Entladungsleistung bei der dielektrischen Barriereentladung gesteuert werden. Durch die Regelung der Leistung des Peltier-Elements kann eine Wärmetransportleistung der Vorrichtung gesteuert werden.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Gerät, das die oben beschriebene Vorrichtung aufweist. Bei dem Gerät kann es sich um einen Kühlschrank, eine Kühlbox, eine Klimaanlage, ein Kühlgerät, einen Wäschetrockner, ein Gerät zur Verpackung, ein Gerät aus der Lebensmitteltechnik, ein Gerät zur Raumdekontamination, ein Gerät zur Parasitenbekämpfung in Textilien, einen Abfallsammler oder einen Kleinsterilisator handeln.
  • Bei der Anwendung der Vorrichtung in einer Kühlbox, einem Kühlschrank oder einem Kühlgerät, in dem verderbliche Güter gelagert werden können, ist die Kombination aus Kühlung und dielektrischer Barriereentladung besonders vorteilhaft. Durch die Erzeugung von oxidierenden Spezies bei der dielektrischen Barriereentladung können unerwünschte mikrobiologische Prozesse, zum Beispiel Fäulnis, Schimmelbildung, Bildung von Mikrofilmen oder Entstehung von unangenehmen Gerüchen unterdrückt werden. Bei der Geruchsminderung ist die Kondensation auf der kalten Oberfläche des Peltier-Elementes sehr effektiv, da so auch organische Moleküle, die mit dem Wasser gemeinsam auskondensieren, in einem zweiten Schritt durch die dielektrische Barriereentladung effektiv zerlegt werden, ohne dass ein Übermaß an Ozon entsteht. Die gesamte Oberfläche im Entladungsbereich kann durch eine Flächenentladung steril gehalten werden.
  • Für eine Anwendung in der Medizin liefert die Vorrichtung in einem gegebenen Volumen eine hohe Ozonkonzentration von mehr als 10000 ppm, sodass hocheffiziente Sterilisationsverfahren mit geringem Geräteaufwand möglich sind.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung mit der oben beschriebenen Vorrichtung, wobei von der Hochspannungsquelle eine Hochspannung zwischen dem Peltier-Element und der Elektrode erzeugt wird und eine dielektrische Barriereentladung in dem Spalt gezündet wird.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • 2 zeigt die Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 3 und 4 zeigen die Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
    • 5, 6 und 7 zeigen die Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung, die ein Peltier-Element 1 und eine Elektrode 2 aufweist.
  • Das Peltier-Element 1 ist ein elektrothermischer Wandler. Es ist dazu ausgestaltet, eine Temperatur eines Prozessgases zu ändern. Wird an das Peltier-Element 1 eine Gleichspannung angelegt und fließt ein Gleichstrom über das Peltier-Element 1, wird basierend auf dem Peltier-Effekt eine Temperaturdifferenz erzeugt. Das Peltier-Element 1 kann sowohl zur Kühlung als auch - bei Stromrichtungsumkehr - zum Heizen des Prozessgases verwendet werden.
  • Das Peltier-Element 1 weist Halbleiterelemente 3 auf, die durch Metallbrücken 4 zu einer mäanderförmigen Struktur miteinander verbunden sind. Die Halbleiterelemente 3 sind dabei durch die Metallbrücken 4 seriell miteinander verschaltet, wobei sich p-dotierte Halbleiterelemente und n-dotierte Halbleiterelemente abwechseln. Die Halbleiterelemente 3 können beispielsweise Bismuttellurid oder Siliziumgermanium aufweisen.
  • Wird ein Gleichstrom über das Peltier-Element 1 geleitet, entsteht an den Metallbrücken 4 auf Grund des Peltier-Effekts Wärme beziehungsweise Kälte.
  • Das Peltier-Element 1 weist zwei Keramikplatten 5 auf. Die Keramikplatten 5 können Aluminiumoxid aufweisen oder aus Aluminiumoxid bestehen. Die Keramikplatten 5 bedecken die Metallbrücken 4. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Keramikplatten 5 dabei unmittelbar auf den Metallbrücken 4 angeordnet. Die Metallbrücken 4 bilden eine thermische Kontaktfläche, über die Wärme beziehungsweise die Kälte auf die Keramikplatten 5 übertragen werden. Die Keramikplatten 5 wirken als Wärmeleitplatten. Die Keramikplatten 5 geben die Wärme beziehungsweise die Kälte an das Prozessgas ab.
  • Die Elektrode 2 ist parallel zu einer der Keramikplatten 5 des Peltier-Elements 1 angeordnet. Die Elektrode 2 liegt dem Peltier-Element 1 gegenüber und ist dabei von dem Peltier-Element 1 räumlich getrennt. Zwischen der Elektrode 2 und dem Peltier-Element 1 ist ein Spalt 6. Der Spalt 6 zwischen dem Peltier-Element 1 und der Elektrode 2 kann eine Breite zwischen 0,01 mm und 1,0 mm aufweisen, vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 0,5 mm.
  • Die Vorrichtung ist dazu ausgestaltet zwischen der Elektrode 2 und dem Peltier-Element 1 eine dielektrische Barriereentladung auszulösen. Bei der dielektrischen Barriereentladung handelt es sich um eine Zündung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas.
  • An die Elektrode 2 wird mit Bezug auf ein elektrisches Potential des Peltier-Elementes 1 ein Wechselspannungspotential mit einer hohen Amplitude angelegt. Zwischen dem Peltier-Element 1 und der Elektrode 2 entsteht so eine Hochspannung. Zwischen dem Peltier-Element 1 und der Elektrode 2 wird eine dielektrische Barriereentladung gezündet, wobei die der Elektrode 1 zugewandte Keramikplatte 5 als dielektrische Barriere wirkt.
  • Durch das Peltier-Element 1 fließt ein Gleichstrom. Eine Gleichspannungs-Potentialdifferenz durch die niederohmigen Halbleiterelemente 3 des Peltier-Elementes 1 ist im Verhältnis zu der für die dielektrische Barriereentladung erforderlichen Hochspannung vernachlässigbar. Umgekehrt ist die typischerweise bei der dielektrischen Barriereentladung auftretende Stromdichte klein im Verhältnis zu dem durch die Peltier-Elemente 1 fließenden Gleichstrom. Die Kühlfunktion des Peltier-Elementes 1 und die Entladefunktion der Vorrichtung beeinflussen einander dementsprechend nicht negativ.
  • Das Peltier-Element 1 wird in der Vorrichtung sowohl in seiner Funktion als Kühl- oder Heizelement, das eine Temperatur des Prozessgases einstellt, als auch als Gegenelektrode, die zusammen mit der Elektrode 2 die dielektrische Barriereentladung auslöst, verwendet. Durch die Kombination des Peltier-Elements 1 mit der dielektrischen Barriereentladung kann die dielektrische Barriereentladung bei einer präzise eingestellten Temperatur und Feuchte betrieben werden und die Konzentration und die Zusammensetzung von aktiven Spezies, die bei der dielektrischen Barriereentladung entstehen, können eingestellt und stabil gehalten werden.
  • Das Peltier-Element 1 ermöglicht es, eine Temperatur des Prozessgases, das sich in dem Spalt 6 zwischen der Elektrode 2 und dem Peltier-Element 1 befindet, zu regeln. Wird ein Peltier-Element 1 zur dielektrischen Barriereentladung verwendet, ist es möglich, die Temperatur des Prozessgases bei der Entladung präzise einzustellen. Die Gaszusammensetzung der im Rahmen der dielektrischen Barriereentladung erzeugten Gase bei Verwendung von Luft als Prozessgas hängt sehr stark von der Temperatur der Luft ab. Insbesondere die Anteile von erzeugtem Ozon (O3) und erzeugten nitrosen Gasen (NO, NO2, NOx) werden durch die Temperatur bestimmt. Mit steigender Temperatur wird die Erzeugung von nitrosen Gasen begünstigt und die Abbaumechanismen von Ozon zugunsten von nitrosen Gasen werden beschleunigt.
  • Die Vorrichtung kann in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Ein erster Betriebsmodus ist ein reiner Kühlbetrieb, bei dem das Peltier-Element 1 das Prozessgas abkühlt und zwischen dem Peltier-Element und der Elektrode 2 keine Hochspannung erzeugt wird. Wird das Prozessgas dabei unter seinem Taupunkt abgekühlt, entsteht durch Kondensation Wasser, das sich als Wasserfilm auf einer Oberfläche des Peltier-Elementes 1 absetzt.
  • Ein zweiter Betriebsmodus der Vorrichtung ist ein Entladebetrieb. Bei dem Entladebetrieb wird zwischen dem Peltier-Element 1 und der Elektrode 2 eine Hochspannung angelegt und es wird eine dielektrische Barriereentladung zwischen der Elektrode 2 und dem Peltier-Element 1 ausgelöst. Zusätzlich kann das Peltier-Element 1 zeitgleich das Prozessgas kühlen oder erhitzen.
  • Der Entladebetrieb kann sich unmittelbar an den Kühlbetrieb anschließen, wobei in dem Kühlbetrieb ein Wasserfilm auf einer Oberfläche des Peltier-Elementes 1 erzeugt wurde. In diesem Fall wird die dielektrische Barriereentladung auf dem Wasserfilm erzeugt. Dabei werden insbesondere peroxidische Spezies erzeugt und die Ozonemission ist gering.
  • Ein dritter Betriebsmodus der Vorrichtung ist ein Heizbetrieb. In dem Heizbetrieb wird keine Hochspannung zwischen dem Peltier-Element 1 und der Elektrode 2 angelegt und das Peltier-Element 1 erhitzt das Prozessgas. Dabei kann das Peltier-Element 1 eine Temperatur von mehr als 100 °C erreichen. Bei derart hohen Temperaturen wird Ozon abgebaut. Wird das Peltier-Element 1 im Anschluss an den Entladebetrieb in seinem Heizbetrieb betrieben, kann ein in einem Wirkvolumen durch die dielektrische Barriereentladung aufgebaute Ozonkonzentration schnell wieder auf ein niedriges Niveau abgesenkt werden. Die Vorrichtung kann so betrieben werden, dass sich Kühlbetrieb, Entladebetrieb und Heizbetrieb in einer vorgegebenen Zeitabfolge nacheinander wiederholen.
  • Das Peltier-Element 1 kann in dem Entladebetrieb derart betrieben werden, dass es das Prozessgas kontinuierlich über einen großen Temperaturbereich erwärmt beziehungsweise abkühlt. Dabei kann stetig eine dielektrische Barriereentladung ausgelöst werden, während das Prozessgas einen kontinuierlichen Übergang von einer niedrigen Temperatur zu einer hohen Temperatur erfährt. Auf diese Weise kann gesamte Spektrum der Spezies von ROS (Reactive Oxygen Species) zu RNS (Reactive Nitrogen Species) erzeugt werden. Dadurch kann beispielsweise eine gründliche Desinfektion bewirkt werden.
  • Durch das Erwärmen und/oder Abkühlen des Prozessgases kann das Peltier-Element 1 zudem die Feuchte des Prozessgases regeln. Beispielsweise kann Feuchte aus dem Prozessgas in einem Kühlprozess auskondensiert werden. Die Feuchte des Prozessgases beeinflusst die Zusammensetzung der bei der dielektrischen Barriereentladung entstehenden Gase. Beispielsweise kann die Anwesenheit von Luftfeuchtigkeit zur Erzeugung von Peroxid H2O2 führen.
  • Die Fläche des Peltier-Elementes 1 ist größer als die Fläche der gegenüberliegenden Elektrode 2. Das Peltier-Element 1 weist einen ersten Bereich 7 auf, in dem die Elektrode 2 dem Peltier-Element 1 nicht unmittelbar gegenüberliegt. Das Prozessgas kann zunächst über den ersten Bereich 7 des Peltier-Elements 1 geleitet werden, in dem die Elektrode 2 dem Peltier-Element 1 nicht unmittelbar gegenüberliegt, und anschließend kann das Prozessgas in einen Entladebereich 8 geleitet werden, in dem die Elektrode 2 dem Peltier-Element 1 gegenüberliegt und in dem die dielektrische Barriereentladung gezündet wird. Dadurch kann das Peltier-Element 1 in dem ersten Bereich 7 das Prozessgas abkühlen bevor es zur dielektrischen Barriereentladung kommt. Dabei wird schon vor der dielektrischen Barriereentladung ein aktives Auskondensieren von Feuchtigkeit aus dem Prozessgas erreicht. Das so getrocknete Prozessgas kann dann den Entladungsbereich erreichen. Wird das Prozessgas vor der dielektrischen Barriereentladung außerhalb des Entladungsbereichs getrocknet, wird bei der dielektrischen Barriereentladung im Vergleich zu einem Prozessgas, das vorab nicht getrocknet wurde, eine höhere Ozonkonzentration erreicht.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Kühlkörper 9 an der Keramikplatte des Peltier-Elementes 1 angebracht, die von der Elektrode 2 weg weist. Der Kühlkörper 9 trägt zusätzlich zu dem Peltier-Element 1 zu einer Kühlung des Prozessgases bei. Ferner ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel auch die Elektrode 2 mit einem Kühlkörper 9 versehen. Der mit der Elektrode 2 verbundene Kühlkörper 9 weist einen Gasabfluss auf. Sowohl der mit dem Peltier-Element 1 verbundene Kühlkörper 9 als auch der mit der Elektrode 2 verbundene Kühlkörper 9 sind optional und können in anderen Ausführungsbeispielen weggelassen werden.
  • In 2 ist durch den mit Q markierten Pfeil die Richtung eines Wärmetransports durch das Peltier-Element 1 markiert. Das Peltier-Element 1 kühlt das Prozessgas. Weitere Pfeile deuten die Flussrichtung des Prozessgases an.
  • Ferner kann die Vorrichtung alternativ oder ergänzend einen Lüfter aufweisen, der eine Strömung des Prozessgases entlang des Peltier-Elements 1 unterstützt.
  • Bei den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine Innenseite der Keramikplatte 5, die zu der Elektrode 2 weist, durch die Metallbrücken 4 metallisiert. Die Metallbrücken 4 bilden keine durchgehende Fläche, sondern inselförmige Metallisierungen auf der Innenseite. Dieses kann zu inhomogenen Entladungen bei der dielektrischen Barriereentladung führen. Zusätzlich können die inselförmigen Metallisierungen zu parasitären Entladungen auf der Innenseite der Keramikplatte 5 führen. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, das diese unerwünschten Nebeneffekte überwindet.
  • Bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist eine schwach leitfähige Schicht 10 zwischen den Metallbrücken 4 und der Keramikplatte 5, die zur Elektrode 2 hinweist, angeordnet. Die schwach leitfähige Schicht 10 kann Potentialdifferenzen zwischen den inselförmigen Metallisierungen ausgleichen. Sie weist einen Widerstand auf, der hochohmig im Vergleich zu dem Innenwiderstand der mäanderförmigen Verbindung gebildet aus den Halbleiterelementen 3 und den Metallbrücken 4 ist. Beispielsweise kann der Widerstand der schwach leitfähigen Schicht 10 mehr als das Hundertfache des Widerstands der mäanderförmigen Verbindung betragen. Dementsprechend fließt ein über das Peltier-Element fließender Strom nicht über die schwach leitfähige Schicht, sondern über die Metallbrücken 4 und die Halbleiterelemente 3. Die schwach leitfähige Schicht 10 stört somit die Kühl- bzw. Heizfunktion des Peltier-Elementes 1 nicht.
  • Die Leitfähigkeit der schwach leitfähigen Schicht 10 reicht dafür aus, dass das Peltier-Element 1 bei der dielektrischen Barrierentladung als flächige Gegenelektrode wirkt und eine inhomogene Entladung vermieden wird. Zudem sind die Metallbrücken 4 über die schwach leitfähige Schicht 10 derart miteinander verbunden, dass es nicht zu parasitären Entladungen an den Metallbrücken 4 kommt. Die schwach leitfähige Schicht 10 ermöglicht es damit, die unerwünschten Nebenwirkungen aus den ersten beiden Ausführungsbeispielen zu überwinden.
  • In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die schwach leitfähige Schicht 10 zwischen den Metallbrücken 4 und der Keramikplatte 5 angeordnet, die zur Elektrode 2 weist. Zwischen den Metallbrücken 4 und der Keramikplatte 5, die von der Elektrode 2 weg weist, ist keine schwach leitfähige Schicht 10 angeordnet. In einer alternativen Ausgestaltung ist auch zwischen den Metallbrücken 4 und der Keramikplatte 4, die von der Elektrode 2 weg weist, eine schwach leitfähige Schicht 10 angeordnet.
  • 4 zeigt ebenfalls das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel. In 4 sind ferner eine Gleichspannungsquelle 11 und eine Hochspannungsquelle 12 gezeigt. Die Gleichspannungsquelle 11 legt an das Peltier-Element 1 eine Gleichspannung im Niederspannungsbereich an. Über das Peltier-Element 1 fließt daher ein Gleichstrom. Das Peltier-Element 1 befindet sich auf einem elektrischen Niederspannungspotential. Die Hochspannungsquelle 12 legt an die Elektrode 2 ein hohes Wechselspannungspotential an. Dementsprechend entsteht eine hohe Potentialdifferenz zwischen dem Peltier-Element 1 und der Elektrode 2 und es kommt in dem Spalt 6 zwischen der Elektrode 2 und dem Peltier-Element 1 zu einer dielektrischen Barriereentladung. Bei der dielektrischen Barriereentladung handelt es sich dabei um eine Volumenentladung.
  • Die 5, 6 und 7 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, wobei an dem Peltier-Element 1 eine dielektrische Barriereentladung als Flächenentladung ausgelöst wird. In 5 ist die Elektrode 2 nicht gezeigt. 6 zeigt eine Draufsicht auf das Peltier-Element 1, das von der Keramikplatte 5 und einer Metallisierung 13 bedeckt ist.
  • Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann eine schwach leitfähige Schicht 10 zwischen der Keramikplatte 5, die zur Elektrode 2 weist, und den Metallbrücken 4 angeordnet sein. Eine Oberfläche der Keramikplatte 5, die zur Elektrode 2 weist, ist mit einer Metallisierung 13 versehen. Diese Metallisierung 13 wirkt als Elektrode. An die Metallisierung 13 kann ein Hochspannungspotential angelegt werden. Das gesamte Peltier-Element 1 wird auf ein hohes Wechselspannungspotential gelegt. Mit dem Peltier-Element 1 zusammen wirkt die flächige Elektrode 2, die auf einem Massepotential liegen kann. Ausreichend zum Auslösen einer dielektrischen Barriereentladung ist es, wenn die Elektrode 2 eine ausreichend hohen Kapazität aufweist.
  • Die Metallisierung 13 weist Ausnehmungen auf, in denen die Keramikplatte 5 nicht von der Metallisierung 13 bedeckt ist. Die dielektrische Barriereentladung wird als Flächenentladung in den Ausnehmungen gezündet.
  • Bei dem in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Peltier-Element 1 gekühlt werden und gegenüber einer Oberfläche, beispielsweise einem Abschnitt der menschlichen Haut oder einer zu bearbeitenden anderen Oberfläche, auf ein hohes Wechselspannungspotential gehoben werden. In dem Spalt 6 zwischen dem Peltier-Element 1 und der Oberfläche kommt es zu einer kalten dielektrischen Barriereentladung. Derartige Anwendungen sind beispielsweise in der Dermatologie und der Wundbehandlung möglich. Die Oberfläche bildet dabei die Elektrode 2.
  • 7 zeigt das Peltier-Element 1, die Elektrode 2, die Gleichspannungsquelle 11 und die Hochspannungsquelle 12. Die Gleichspannungsquelle 11 legt an das Peltier-Element 1 eine Gleichspannung an. Über das Peltier-Element 1 fließt daher ein Gleichstrom, der den Peltier-Effekt auslöst und eine Kühlung beziehungsweise Erwärmung eines Prozessgases bewirkt.
  • Die Hochspannungsquelle 12 legt an das Peltier-Element 1 ein Hochspannungswechselpotential an. Auch die Gleichspannungsquelle 11 liegt auf dem Hochspannungswechselpotential, das von der Hochspannungsquelle 12 angelegt wird.
  • Die Elektrode 2 liegt auf einem Massepotential. Sie ist nicht mit der Hochspannungsquelle 12 verbunden. Zwischen der Elektrode 2 und der Metallisierung 13 des Peltier-Elements 1 entsteht eine Hochspannung, die die Zündung der dielektrischen Entladung als Flächenentladung an der Metallisierung 13 des Peltier-Elements 1 auslöst.
  • Ferner kann in jedem der in den 1 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen die zur Elektrode 2 weisende Oberfläche des Peltier-Elementes 1 und/oder die Elektrode 2 mit einer glasartigen Schicht überzogen sein. Diese Schicht kann als Schmelzglasur oder Aufbrennglasur aufgebrannt werden. Die glasartige Schicht ist chemisch und thermisch stabil. Sie kann das Peltier-Elementes 1 beziehungsweise die Elektrode 2 vor oxidierenden Spezies schützen, die bei der dielektrischen Barriereentladung entstehen. Die Schicht erhöht dementsprechend die Lebensdauer der Vorrichtung, insbesondere bei Verwendung unter hoher Luftfeuchtigkeit.
  • Statt eines einstufigen Peltier-Elementes 1 können auch mehrere Peltier-Elemente zu einem mehrstufigen Peltier-Element kombiniert werden, um eine höhere Temperaturdifferenz zu erreichen.
  • Die oben beschriebenen Betriebsmodi, Entladebetrieb, Kühlbetrieb und Heizbetrieb, können in jedem der vier gezeigten Ausführungsbeispiele eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Peltier-Element
    2
    Elektrode
    3
    Halbleiterelement
    4
    Metallbrücke
    5
    Keramikplatte
    6
    Spalt
    7
    erster Bereich
    8
    Entladebereich
    9
    Kühlkörper
    10
    schwach leitfähige Schicht
    11
    Gleichspannungsquelle
    12
    Hochspannungsquelle
    13
    Metallisierung

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung, aufweisend ein Peltier-Element (1), eine Elektrode (2), die gegenüberliegt dem Peltier-Element (1) angeordnet ist, und eine Hochspannungsquelle (12), die dazu ausgestaltet ist, zwischen dem Peltier-Element (1) und der Elektrode (2) eine Hochspannung zu erzeugen, die zur Zündung der dielektrischen Barriereentladung ausreicht.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Peltier-Element (1) zwei oder mehr Halbleiterelemente (3) aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei das Peltier-Element (1) Metallbrücken (4) aufweist, die die Halbleiterelemente (3) meanderförmig verbinden, wobei zwei zueinander benachbarte Halbleiterelemente (3) an ihrer Oberseite oder an ihrer Unterseite durch eine Metallbrücke (4) miteinander verbunden sind, und wobei das Peltier-Element (1) Keramikplatten (5) aufweist, die die Metallbrücken (4) bedecken.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Peltier-Element (1) eine schwach leitfähige Schicht (10) aufweist, die zwischen der Keramikplatten (5), die zur Elektrode (2) weist, und den Metallbrücken (4) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die schwach leitfähige Schicht (10) einen Widerstand aufweist, der zumindest um den Faktor 100 größer ist als ein Widerstand der meanderförmigen Verbindung der Halbleiterelemente (3) über die Metallbrücken (4).
  5. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hochspannungsquelle (12) dazu ausgestaltet ist, an die Elektrode (2) ein Hochspannungswechselpotential anzulegen und wobei die Vorrichtung eine Gleichspannungsquelle (11) aufweist, die dazu ausgestaltet ist, an das Peltier-Element (1) eine Nieder-Gleichspannung anzulegen.
  6. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, die dielektrische Barriereentladung als Volumenentladung zwischen dem Peltier-Element (1) und der Elektrode (2) zu zünden.
  7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Peltier-Element (1) an einer Oberfläche, die zur Elektrode (2) weist, eine Metallisierung (13) aufweist, wobei die Hochspannungsquelle (12) dazu ausgestaltet ist, an das Peltier-Element (1) ein Hochspannungspotential anzulegen.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, die dielektrische Barriereentladung als Oberflächenentladung an der Metallisierung (13) zu zünden.
  9. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Peltier-Element (1) dazu ausgestaltet ist, ein Prozessgas zu kühlen oder ein Prozessgas zu heizen, und/oder wobei das Peltier-Element (1) dazu ausgestaltet ist, in einem Betriebszyklus eine Temperatur eines Prozessgases kontinuierlich zu ändern.
  10. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrode (2) und/oder das Peltier-Element (1) mit einer glasartigen Schicht überzogen sind.
  11. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Fläche des Peltier-Elements (1) größer ist als eine Fläche der Elektrode (2).
  12. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Ansteuerung aufweist, die dazu ausgestaltet ist, die Vorrichtung in einem Kühlbetrieb zu betreiben, in dem keine dielektrische Barriereentladung ausgelöst wird und eine Oberfläche der Vorrichtung unter einen Taupunkt eines Prozessgases abgekühlt wird, so dass ein Wasserfilm auf der Oberfläche durch Kondensation erzeugt wird, und die Vorrichtung anschließend in einem Entladebetrieb zu betreiben, in dem die dielektrische Barriereentladung auf dem Wasserfilm erzeugt wird.
  13. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, in einem Heizbetrieb betrieben zu werden, bei dem keine dielektrische Barriereentladung ausgelöst wird und eine Oberfläche der Vorrichtung auf eine Temperatur von mehr als 100 °C erhitzt wird.
  14. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung zumindest einen Sensor ausgewählt aus einem Temperatursensor, einem Ozonsensor und einem Feuchtigkeitssensor aufweist, und wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, eine Leistung des Peltier-Elements (1) und/oder eine Leistung der Hochspannungsquelle (12) unter Berücksichtigung einer Messung des zumindest einen Sensors anzupassen.
  15. Gerät aufweisend eine Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Gerät um einen Kühlschrank, eine Kühlbox, eine Klimaanlage, ein Kühlgerät, einen Wäschetrockner, ein Gerät zur Verpackung, ein Gerät aus der Lebensmitteltechnik, ein Gerät zur Raumdekontamination, ein Gerät zur Parasitenbekämpfung in Textilien, einen Abfallsammler oder einen Kleinsterilisator handelt.
  16. Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei von der Hochspannungsquelle (12) eine Hochspannung zwischen dem Peltier-Element (1) und der Elektrode (2) erzeugt wird und eine dielektrischen Barriereentladung gezündet wird.
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