DE102021119464B4

DE102021119464B4 - Elektromechanischer Wandler

Info

Publication number: DE102021119464B4
Application number: DE102021119464.4A
Authority: DE
Inventors: Burhanettin Koc; Frank Oster
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2041-07-28
Also published as: DE102021119464A1; WO2023006152A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers (1) umfassend folgende Schritte:- Bereitstellen wenigstens eines elektromechanischen Wandlers (1) mit zumindest einem ersten Masseabschnitt (2) und einem zweiten Masseabschnitt (3), wobei wenigstens einer der Masseabschnitte (2, 3) ein Masseelement (4) mit einem freien Schwingabschnitt (42) aufweist, und mit wenigstens zwei zwischen dem ersten und dem zweiten Masseabschnitt (2, 3) angeordneten Schichten (5), die ein elektromechanisches Material umfassen, wobei jede der Schichten (5) zwischen zwei Elektroden (50) gelegen ist;- Bereitstellen wenigstens einer elektrischen Wechselspannungsquelle (104) und wenigstens eines elektrischen Gleichrichters (106);- Anlegen einer elektrischen Wechselspannung der elektrischen Wechselspannungsquelle (104) an wenigstens eine der Schichten (5) und Nutzung dieser wenigstens einen Schicht (5) als mechanischer Wandlerabschnitt (6), wobei durch das Anlegen der elektrischen Wechselspannung der mechanische Wandlerabschnitt (6) periodische mechanische Deformationen vollführt, die auf die an den mechanischen Wandlerabschnitt (6) angrenzenden Teile des elektromechanischen Wandlers übertragen werden und das Masseelement (4) zu Schwingungen anregen;- Abgreifen der in der wenigsten einen anderen Schicht (5) aufgrund der mechanischen Deformationen generierten elektrischen Wechselspannung und Nutzung dieser wenigstens einen anderen Schicht als elektrischer Wandlerabschnitt (7), und Weiterleitung der generierten elektrischen Wechselspannung zu dem Gleichrichter (106), und- Anlegen der in dem Gleichrichter (106) erzeugten Gleichspannung an das Masseelement (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers nach den Ansprüchen 1 bis 10 und die Verwendung eines solchen Verfahrens nach den Ansprüchen 11 bis 13.
Aus dem wissenschaftlichen Artikel ,The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities' von S.Rashwan et al., International Journal of Hydrogen Energy 44 (2019) I4500-I4526, ist beispielsweise bekannt, die Elektrolyse - etwa zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser- mittels eines elektromechanischen Wandlers durchzuführen, der hierbei zu hochfrequenten bzw. Ultraschall-Schwingungen angeregt wird, welche etwa über ein in das in seine chemischen Elemente aufzuspaltende Wasser eintauchendes Horn in dieses eingeleitet werden, wobei es aufgrund der hochfrequenten Schwingungen des Horns zu einer Bildung von Gasbläschen an dessen Oberfläche und zu einem Zerfall derselben (Kavitation) kommt. Bei der Kavitation auftretenden Implosion der Gasbläschen entstehen sehr hohe Temperaturen und Drücke, die schließlich zu der gewünschten Aufspaltung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff führen. Die Verwendung von Ultraschallwellen zur Herbeiführung chemischer Reaktionen wird unter dem Begriff ,Sonochemie' bzw. ,Ultraschallchemie' zusammengefasst. Allerdings ist die Ausbeute und somit die Effizienz des durch Sonochemie erhaltenen Wasserstoffs vergleichsweise gering.
Aus der US 2012/0091010 A1 ist bekannt, bei herkömmlicher Elektrolyse von Wasser, d.h. durch Applikation einer elektrischen Gleichspannung an in das Wasser eintauchende Elektroden, einen elektromechanischen Wandler einzusetzen, um die Elektroden zu Ultraschall-Schwingungen anzuregen. Durch die zu Ultraschallschwingungen angeregten Elektroden werden die Effizienz negativ beeinflussende Gasbläschen, welche bei dem Prozess entstehen und an den Elektroden anhaften, dort beseitigt oder zumindest in ihrer Anzahl verringert.
Die DE 10 2018 110 032 A1 offenbart einen Elektrodenaufbau zur Effizienzsteigerung bei der Elektrolyse, bei dem an einer Trägerseite der Elektrode wenigstens ein Schwingungserzeuger angeordnet ist, welcher mit einer Spannungsquelle kontaktiert ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers bereitzustellen, mit welchem ein Elektrolyseprozess, insbesondere zur Herstellung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff aus Wasser, einfacher und mit erhöhter Effizienz durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein dazu alternatives Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die sich jeweils daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
Der für das Verfahren verwendete elektromechanische Wandler umfasst in seiner allgemeinsten Form einen ersten Masseabschnitt und einen dazu beabstandeten zweiten Masseabschnitt, wobei wenigstens einer der Masseabschnitte ein Masseelement mit einem freien, d.h. nicht mit einer übergeordneten Struktur fest verbundenen, als Horn fungierenden Schwingabschnitt aufweist, und mit wenigstens zwei zwischen dem ersten und dem zweiten Masseabschnitt angeordneten Schichten, die ein elektromechanisches Material umfassen, wobei jede der Schichten zwischen zwei Elektroden gelegen ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung einer elektrischen Wechselspannungsquelle an wenigstens eine der Schichten des elektromechanischen Wandlers und dabei Nutzung dieser wenigstens einen Schicht als mechanischer Wandlerabschnitt, wobei durch das Anlegen der elektrischen Wechselspannung der mechanische Wandlerabschnitt periodische mechanische Deformationen bzw. Schwingungen vollführt, die auf die an den mechanischen Wandlerabschnitt angrenzenden Teile des elektromechanischen Wandlers übertragen werden und so auch das Masseelement bzw. das Horn zu Schwingungen anregen.
Die durch die generierten Schwingungen in der wenigstens einen anderen, als elektrischer Wandlerabschnitt genutzten Schicht erzeugte elektrische Wechselspannung wird dort abgegriffen und einem elektrischen Gleichrichter zugeführt, wobei die dadurch generierte elektrische Gleichspannung an das Masseelement bzw. das Horn angelegt wird, und dieses somit gleichzeitig als Elektrode und als Sonotrode fungiert.
Auf diese Weise kann sehr effizient und mit vergleichsweise geringem Aufwand eine für die Elektrolyse benötigte hohe elektrische Gleichspannung erzeugt werden, wobei der entsprechende rein elektrische Elektrolyseprozess unterstützt wird durch das hochfrequente Schwingen des Horns, welches gegebenenfalls zu einem zusätzlichen sonochemischen Elektrolyseprozess führt, und welches den Elektrolyseprozess weiter begünstigt durch das entsprechende Ablösen von sich durch den Elektrolyseprozess bildenden und an dem Horn als Elektrode anhaftenden Gasbläschen. Hauptvorteil der Erfindung ist die gleichzeitige Generierung mechanischer Vibrationen bzw. Schwingungen und elektrischer Spannungen in demselben elektromechanischen Wandler und die daraus resultierende reduzierte Komplexität einer entsprechenden Vorrichtung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt.
Bei einem dazu alternativen Verfahren zum Betreiben des vorstehend skizzierten elektromechanischen Wandlers erfolgt ein simultanes Anlegen einer elektrischen Wechselspannung und einer elektrischen Gleichspannung, wobei die Wechselspannung an sämtliche Schichten und entsprechender Nutzung aller Schichten als mechanischer Wandlerabschnitt stattfindet, und durch das Anlegen der elektrischen Wechselspannung der mechanische Wandlerabschnitt periodische mechanische Deformationen vollführt, die auf die an den mechanischen Wandlerabschnitt angrenzenden Teile des elektromechanischen Wandlers übertragen werden und so auch das Masseelement bzw. das Horn zu Schwingungen anregt, und wobei die sich der elektrischen Wechselspannung überlagernde elektrische Gleichspannung sowohl an den mechanischen Wandlerabschnitt, als auch an das Masseelement angelegt wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen alternativen Verfahren kann das Bereitstellen von wenigstens einem ein Wandlerpaar bildendes Paar elektromechanischer Wandler vorteilhaft sein, wobei sich die Polarität der Gleichspannung, die an einem elektromechanischen Wandler des Wandlerpaars anliegt, von der Polarität der Gleichspannung, die an dem anderen elektromechanischen Wandler des gleichen Wandlerpaars anliegt, unterscheidet. Durch das gleichzeitige Anlegen einer elektrischen Wechselspannung und einer elektrischen Gleichspannung wird ein Offset hinsichtlich der Wechselspannung generiert, wobei durch die Verwendung zweier Gleichspannungen mit unterschiedlicher Polarität an den zwei elektromechanischen Wandlern des Wandlerpaars ein den Potentialunterschied der Masseelemente maximierender Umstand vorliegt.
Hierbei kann es ebenso von Vorteil sein, dass im Falle des Bereitstellens eines ein Wandlerpaar bildendes Paar elektromechanischer Wandler an den mechanischen Wandlerabschnitt eines elektromechanischen Wandlers des Wandlerpaars eine elektrische Wechselspannung einer ersten Frequenz f1 und an den mechanischen Wandlerabschnitt des anderen elektromechanischen Wandlers desselben Wandlerpaars eine elektrische Wechselspannung einer zweiten Frequenz f2, die von der ersten Frequenz um wenigstens 1 % und maximal um 20% abweicht, angelegt werden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen kann die Effektivität des Verfahrens weiter erhöht werden.
Bei beiden vorher beschriebenen alternativen Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers kann es von Vorteil sein, dass das Masseelement einen quaderförmigen Basisabschnitt und einen einstückig mit diesem ausgeführten plattenförmigen Abschnitt, der sich von dem Basisabschnitt weg erstreckt, aufweist, wobei der plattenförmige Abschnitt den Schwingabschnitt umfasst oder diesen ausbildet. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass der plattenförmige Abschnitt unsymmetrisch bzw. außermittig bezüglich des Basisabschnitts angeordnet ist, wodurch die Ausbildung von effektiveren Biegewellen in dem plattenförmigen Abschnitt begünstigt wird. Ganz generell kann durch die Gestaltung bzw. Ausführung der Masseabschnitte Einfluss darauf genommen werden, wie die durch den mechanischen Wandlerabschnitt generierten Deformationen, welche in der Regel zur Ausbildung von Längswellen in dem elektromechanischen Wandler führen, zur Ausbildung von besonders effektiven Biegewellen in dem Schwingabschnitt des Masseelements führen.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass das Masseelement eine Zylinder- oder Hohlzylinderform aufweist.
Ebenso kann es von Vorteil sein, dass zwischen einer Schicht und dem dazu benachbarten Masseabschnitt ein Isolationselement oder ein Anpassungselement angeordnet ist. Das Isolationselement dient dabei der elektrischen Isolation zwischen der Schicht elektromechanischen Materials und dem entsprechenden, dazu benachbarten Masseabschnitt, während das Anpassungselement für eine besonders effektive Kopplung oder aber Entkopplung zwischen der Schicht und dem dazu benachbarten Masseabschnitt sorgt. Eine gute Kopplung sorgt insbesondere dafür, dass die in dem mechanischen Wandlerabschnitt generierten Schwingungen optimiert auf das Masseelement bzw. auf den Schwingabschnitt übertragen werden können.
Ferner kann es von Vorteil sein, dass aneinander angrenzende Schichten elektromechanischen Materials desselben mechanischen Wandlerabschnitts oder aneinander angrenzende Schichten elektromechanischen Materials desselben elektrischen Wandlerabschnitts entgegengesetzt zueinander ausgerichtete Polarisationsrichtungen aufweisen.
Außerdem kann es von Vorteil sein, dass jeder der beiden Masseabschnitte ein Masseelement aufweist, und die Schichten elektromechanischen Materials des mechanischen Wandlerabschnitts zwischen den Schichten elektromechanischen Materials des elektrischen Wandlerabschnitts gelegen sind, wobei die Schichten des mechanischen Wandlerabschnitts direkt aneinander angrenzen und gegensinnige Polarisationsrichtungen aufweisen und die Schichten elektromechanischen Materials des elektrischen Wandlerabschnitts nicht direkt aneinander angrenzen und gleichsinnige Polarisationsrichtungen aufweisen.
Auf diese Weise werden in den unterschiedlichen Schichten des elektrischen Wandlerabschnitts unterschiedliche Wechselspannungen generiert, und diese einem Gleichrichter zugeführten unterschiedlichen Wechselspannungen resultieren in Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität, so dass an eines der beiden Masseelemente eine Gleichspannung erster Polarität und an das andere der beiden Masseelemente eine Gleichspannung zweiter Polarität angelegt werden kann. Somit kann die Komplexität einer entsprechenden Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter reduziert werden, und mit einem einzigen elektromechanischen Wandler kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Elektrolyseprozess durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung des Verfahrens zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers nach den vorstehend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für die Elektrolyse flüssiger Medien, insbesondere von Wasser zur Generierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff, oder alternativ für die Erzeugung eines Plasmas unter Atmosphärendruck, oder alternativ für die thermische Zerstörung von Krebszellen bzw. für die Verbrennung von Körperfettzellen. Die Elektrolyse von Wasser ermöglicht bekanntermaßen die Herstellung von Wasserstoff, einem für die Zukunft immer wichtiger werdenden Energieträger. Der durch die Elektrolyse mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler ebenfalls produzierte Sauerstoff kann ebenfalls genutzt werden, etwa zur autarken SauerstoffVersorgung von Tauchern.
Unter der Bezeichnung „im Wesentlichen“ in Bezug auf ein Merkmal oder einen Wert wird hierin insbesondere verstanden, dass das Merkmal eine Abweichung von 20 % und speziell von 10 % von dem Merkmal oder dessen geometrischen Eigenschaft bzw. des Werts enthält.
Unter dem Begriff „einstückig“ in Bezug auf ein Bauteil oder eine Komponente wird hierin verstanden, dass das Bauteil bzw. die Komponente als ein Stück hergestellt ist. Dabei kann das Bauteil bzw. die Komponente aus mehreren Stücken oder Teilen, die zusammenhängen oder aneinander gekoppelt oder miteinander verbunden sind, gebildet sein. Unter dem Begriff „aus einem Stück hergestellt“ wird in dieser Hinsicht verstanden, dass das Bauteil bzw. die Komponente bei seiner Herstellung aus einem einstückigen Ausgangswerkstück hergestellt ist.
Unter dem Begriff „elektromechanisch“ in Bezug auf einen Wandler wird hierin verstanden, dass der Wandler ein elektromechanisches Material aufweist oder aus diesem besteht, wobei unter einem elektromechanischen Material ein Material zu verstehen ist, welches bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung eine mechanische Deformation, etwa eine Längenänderung, vollführt. Insbesondere wird unter elektromechanischem Material ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Material verstanden.
Hierin wird unter der logischen Verknüpfung „oder“ in Bezug auf zwei Alternativen ausschließlich die eine oder die andere der Alternativen verstanden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die bezüglich aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen

1: perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren
2: perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren
3: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
4: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer weiteren möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart von zwei elektromechanischen Wandlern nach 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Verwendung zur Elektrolyse von Wasser
5: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
6: perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren
7: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach 6 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens

1. zeigt in perspektivischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers 1 zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Dieser umfasst einen ersten Masseabschnitt 2 aus Stahl sowie einen dazu bzw. davon beabstandeten und ebenfalls aus Stahl gefertigten zweiten Masseabschnitt 3, welcher ein Masseelement 4 mit einem quaderförmigen Basisabschnitt 44 und einem damit einstückig ausgebildeten freien Schwingabschnitt 42 in Gestalt eines plattenförmigen Abschnitts 46 aufweist, wobei der plattenförmige Abschnitt 46 unsymmetrisch bzw. außermittig bezüglich des quaderförmigen Basisabschnitts 44 angeordnet ist. Es sind auch andere Metalle bzw. Metalllegierungen für die beiden Masseabschnitte 2 und 3 denkbar. Darüber hinaus können diese auch aus einem keramischen Material wie etwa Aluminiumoxid oder Zirkonoxid oder aus einem Karbid gefertigt sein. Zudem ist denkbar, dass die beiden Masseabschnitte 2 und 3 aus unterschiedlichen der vorstehend aufgeführten Materialien gefertigt sind.
Zwischen den beiden zueinander beabstandeten Masseabschnitten 2, 3 sind insgesamt vier gleichartige und plattenförmige Schichten 5 aus einem piezoelektrischen Material angeordnet, wobei hier die beiden zu dem ersten (in 1 unteren) Masseabschnitt 2 benachbarten Schichten 5 als mechanischer Wandlerabschnitt 6 und die beiden zu dem zweiten (in 1 oberen) Masseabschnitt 3 benachbarten Schichten 5 als elektrischer Wandlerabschnitt 7 vorgesehen sind.
Jede der im Wesentlichen rechteckig geformten Schichten 5 ist auf beiden flächenmäßig größten Hauptflächen mit einer Elektrode 50 versehen, deren jeweiliger Anschlussbereich seitlich aus dem elektromechanischen Wandler 1 herausragt. Abhängig vom Anwendungsfalls ist zumindest ein Teil dieser Elektroden 50 mit wenigstens einer elektrischen Wechselspannungsquelle verbunden, wobei stets gewährleistet ist, dass zueinander benachbarte Elektroden ein unterschiedliches elektrisches Potential aufweisen.
Zwischen der jeweiligen Schicht 5 und dem dazu benachbarten Masseabschnitt 2, 3 ist ein Isolationselement 8 angeordnet, welches der elektrischen Isolation des jeweiligen Masseabschnitts 2, 3 dient.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen elektromechanischen Wandler zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei hier vier dünnere und scheibenförmige Schichten 5 kreisförmiger Geometrie zwischen zwei dickeren scheibenförmigen Schichten 5 kreisförmiger Geometrie angeordnet sind, und die dünneren Schichten 5 zur Ausbildung eines mechanischen Wandlerabschnitts 6 vorgesehen sind, während die sich beidseits der dünneren Schichten befindlichen dickeren Schichten 5 zur Ausbildung eines elektrischen Wandlerabschnitts 7 vorgesehen sind.
An die in 2 rechte Schicht 5 des Wandlerabschnitts 7 grenzt der erste Masseabschnitt 2 mit einer hohlzylinderförmigen Geometrie an, während an die in 2 linke Schicht 5 des Wandlerabschnitts 7 der zweite Masseabschnitt 3 angrenzt, welcher ebenfalls eine hohlzylinderförmige Geometrie aufweist. Einstückig mit dem zweiten Masseabschnitt 3 ist das ein Horn bildendes Masseelement 4 ausgebildet, welches eine im Wesentlichen zylinderförmige Geometrie aufweist.
3 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem eine elektrische Wechselspannung der elektrischen Wechselspannungsquelle 104 an die Elektroden 50 sämtlicher Schichten 5 angelegt wird und somit alle Schichten 5 als mechanischer Wandlerabschnitt 6 genutzt werden, und gleichzeitig eine sich der elektrischen Wechselspannung überlagernde elektrische Gleichspannung der elektrischen Gleichspannungsquelle 102 sowohl über die Elektroden 50 an den mechanischen Wandlerabschnitt 6, als auch über die Anschlusselektrode 41 an das Masseelement 4 angelegt wird.
Somit unterliegt die Wechselspannung einem entsprechenden Spannungs-Offset durch die gleichzeitig angelegte Gleichspannung, und sämtliche Schichten 5 werden durch die entsprechende Wechselspannung zu Schwingungen angeregt, welche auf das Masseelement 4 in Form eines Horns übertragen werden, so dass dieses entsprechende Schwingungen vollführt und als Sonotrode fungiert. Gleichzeitig liegt die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 102 mittels der Anschlusselektrode 41 an dem Masseelement 4 an, so dass dieses neben seiner Funktion als Sonotrode auch die Funktion einer Elektrode übernimmt.
4 zeigt die Verwendung von einem Paar gemäß 3 elektrisch angesteuerter elektromechanischer Wandler 1 zur Elektrolyse der sich im Behälter 200 befindlichen Flüssigkeit 220 in Form von Wasser, wobei die als Horn fungierenden Masseelemente 4 der beiden elektromechanischen Wandler beabstandet zueinander in das Wasser eintauchen.
Die applizierten elektrischen Wechselspannungen sind offset bezüglich ihrer positiven und negativen Polarität. Entsprechend ist an den in 4 linken elektromechanischen Wandler 1 eine elektrische Spannung V₁+(V₁) cos (ω₁ t) angelegt, während an den in 4 rechten elektromechanischen Wandler 1 eine elektrische Spannung -(V₂)+(V₂) cos (ω₂ t) angelegt ist. Gleichzeitig sind die beiden Gleichspannungen V₁ und -(V₂) unterschiedlicher Polarität an dem entsprechenden Masseelement 4 mittels dessen Anschlusselektrode 41 angelegt, so dass das Masseelement 4 des in 4 linken elektromechanischen Wandlers 1 die Anode und das Masseelement 4 des in 4 rechten elektromechanischen Wandlers 1 die Kathode bildet.
Im Resultat variiert die an der Anode anliegende Spannung zwischen 0V und 2(V₁) bei einer Frequenz von ω₁ = 2π f₁, während die an der Kathode anliegende Spannung zwischen 0V und -2(V₂) bei einer Frequenz von ω₂ = 2π f₂ variiert.
5 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist an den in 5 beiden unteren Schichten 5 eine elektrische Wechselspannung der elektrischen Wechselspannungsquelle 104 angelegt, so dass diese beiden Schichten 5 als mechanischer Wandlerabschnitt 6 fungieren und die Wechselspannung dafür sorgt, dass der Wandlerabschnitt 6 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese übertragen sich auf den restlichen elektromechanischen Wandler 1, d.h. auf die beiden weiteren Schichten 5, die in 5 oberhalb der Schichten des mechanischen Wandlerabschnitts 6 angeordnet sind, und auch auf das Masseelement 4 mit seinem freien Schwingabschnitt 42, der dadurch Schwingungen vollführt. Aufgrund der unsymmetrischen Anordnung des freien Schwingabschnitts 42 bezüglich des Basisabschnitts 44 des Masseelements 4 bilden sich Biegeschwingungen aus, während der mechanische Wandlerabschnitt 6 Longitudinalschwingungen vollführt. Biegeschwingungen sind hierbei deutlich effizienter zur Ablösung von sich an dem als Elektrode fungierenden Horn bildenden Gasbläschen. Zudem unterstützen Biegeschwingungen den sonochemischen Prozess effektiver.
Die auf die beiden an den mechanischen Wandlerabschnitt 6 angrenzenden Schichten 5 übertragenen Schwingungen sorgen hierin für die Generierung einer elektrischen Wechselspannung, welche an den Elektroden 50 abgegriffen und einem elektrischen Gleichrichter 106 zugeführt wird. Die dort in eine elektrische Gleichspannung umgewandelte Spannung wird über die Anschlusselektrode 41 an das Masseelement 4 angelegt, so dass dieses zusätzlich neben seiner Funktion als Sonotrode die Funktion einer Elektrode übernimmt.
6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers 1 zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Dieser weist im Gegensatz zu den in den 1 bis 5 dargestellten elektromechanischen Wandlern 1 zwei Masseelemente 4 auf, deren freier Schwingabschnitt 42 sich jeweils quer zur Längserstreckungsrichtung des elektromechanischen Wandlers 1 erstreckt und so jeweils seitlich aus dem elektromechanischen Wandler 1 heraussteht bzw. übersteht.
Der elektromechanische Wandler 1 als Ganzes weist im Wesentlichen die Form eines Zylinders bzw. Hohlzylinders auf. Er besitzt rein strukturell einen symmetrischen Aufbau, wobei zwischen den beiden zueinander beabstandeten Masseelementen 4 insgesamt vier Schichten 5 elektromechanischen Materials angeordnet sind. Hierbei sind die beiden inneren Schichten 5 als mechanischer Wandlerabschnitt 6 vorgesehen, deren Polarisationsrichtungen P entgegengesetzt bzw. antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Die jeweils außen an die Schichten 5 des mechanischen Wandlerabschnitts 6 angrenzenden Schichten 5 bilden zusammen den elektrischen Wandlerabschnitt 7; ihre Polarisationsrichtungen P sind gleichgerichtet und parallel zueinander.
Jedes Masseelement 4 ist zwischen zwei Isolationselementen 8 angeordnet, so dass die Masseelemente 4 elektrisch isoliert sind. Nach außen schließen sich an das jeweilige Masseelement 4 bzw. das entsprechende Isolationselement 8 der erste bzw. der zweite Masseabschnitt 2, 3 an. Durch geeignete Anpassung der beiden Masseabschnitte 2, 3, und insbesondere hinsichtlich ihres Gewichts, kann Einfluss auf die sich in den freien Schwingabschnitten 42 der beiden Masseelemente 4 ausbildenden Schwingungen genommen werden.
7 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach 6 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist an die beiden inneren, den mechanischen Wandlerabschnitt 6 bildenden Schichten 5 eine elektrische Wechselspannung der elektrischen Wechselspannungsquelle 104 angelegt. Die in den beiden daran angrenzenden Schichten 5, welche gemeinsam den elektrischen Wandlerabschnitt 7 bilden, generierten Wechselspannungen sind dem elektrischen Gleichrichter 106 zugeführt, wobei aufgrund der Polarisationsrichtungen P in den einzelnen Schichten 5 eine Gleichspannung erster Polarität resultiert, welche an einem der beiden Masselemente 4 über die Anschlusselektrode 41 angelegt wird, und eine Gleichspannung zweiter Polarität resultiert, welche an dem entsprechend anderen Masseelement 4 über die dortige Anschlusselektrode 41 angelegt wird. Somit fungiert eines der Masseelemente 4 gleichzeitig als Sonotrode und als Anode, während des entsprechend andere Masseelement 4 gleichzeitig als Sonotrode und als Kathode fungiert. Entsprechend kann bei dieser Ausführungsform des elektromechanischen Elements 1 dieses alleine und ohne ein weiteres elektromechanisches Element für einen Elektrolyseprozess, bei dem zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität notwendig sind, verwendet werden.
Bezugszeichenliste:

1: Elektromechanischer Wandler
2: erster Masseabschnitt
3: zweiter Masseabschnitt
4: Masseelement
5: Schicht (elektromechanischen Materials)
6: mechanischer Wandlerabschnitt
7: elektrischer Wandlerabschnitt
8: Isolationselement
9: Anpassungselement
41: Anschlusselektrode (des Masseelements 4)
42: freier Schwingabschnitt (des Masseelements 4)
44: Basisabschnitt (des Masseelements 4)
46: plattenförmiger Abschnitt (des Masseelements 4)
50: Elektrode
102: elektrische Gleichspannungsquelle
104: elektrische Wechselspannungsquelle
106: Gleichrichter
200: Behälter
220: Flüssigkeit (die Elektrolyse unterzogen wird)

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers (1) umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen wenigstens eines elektromechanischen Wandlers (1) mit zumindest einem ersten Masseabschnitt (2) und einem zweiten Masseabschnitt (3), wobei wenigstens einer der Masseabschnitte (2, 3) ein Masseelement (4) mit einem freien Schwingabschnitt (42) aufweist, und mit wenigstens zwei zwischen dem ersten und dem zweiten Masseabschnitt (2, 3) angeordneten Schichten (5), die ein elektromechanisches Material umfassen, wobei jede der Schichten (5) zwischen zwei Elektroden (50) gelegen ist; - Bereitstellen wenigstens einer elektrischen Wechselspannungsquelle (104) und wenigstens eines elektrischen Gleichrichters (106); - Anlegen einer elektrischen Wechselspannung der elektrischen Wechselspannungsquelle (104) an wenigstens eine der Schichten (5) und Nutzung dieser wenigstens einen Schicht (5) als mechanischer Wandlerabschnitt (6), wobei durch das Anlegen der elektrischen Wechselspannung der mechanische Wandlerabschnitt (6) periodische mechanische Deformationen vollführt, die auf die an den mechanischen Wandlerabschnitt (6) angrenzenden Teile des elektromechanischen Wandlers übertragen werden und das Masseelement (4) zu Schwingungen anregen; - Abgreifen der in der wenigsten einen anderen Schicht (5) aufgrund der mechanischen Deformationen generierten elektrischen Wechselspannung und Nutzung dieser wenigstens einen anderen Schicht als elektrischer Wandlerabschnitt (7), und Weiterleitung der generierten elektrischen Wechselspannung zu dem Gleichrichter (106), und - Anlegen der in dem Gleichrichter (106) erzeugten Gleichspannung an das Masseelement (4).
Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers (1) umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen wenigstens eines elektromechanischen Wandlers (1) mit zumindest einem ersten Masseabschnitt (2) und einem zweiten Masseabschnitt (3), wobei wenigstens einer der Masseabschnitte (2, 3) ein Masseelement (4) mit einem freien Schwingabschnitt (42) aufweist, und mit wenigstens zwei zwischen dem ersten und dem zweiten Masseabschnitt (2, 3) angeordneten Schichten (5), die ein elektromechanisches Material aufweisen, und jede der Schichten (5) zwischen zwei Elektroden (50) gelegen ist; - Bereitstellen wenigstens einer elektrischen Wechselspannungsquelle (104) und wenigstens einer elektrischen Gleichspannungsquelle (102) - Anlegen einer elektrischen Wechselspannung der elektrischen Wechselspannungsquelle (104) an alle der Schichten (5) und Nutzung aller Schichten (5) als mechanischer Wandlerabschnitt (6), wobei durch das Anlegen der elektrischen Wechselspannung der mechanische Wandlerabschnitt (6) periodische mechanische Deformationen vollführt, die auf die an den mechanischen Wandlerabschnitt (6) angrenzenden Teile des elektromechanischen Wandlers übertragen werden und das Masseelement (4) zu Schwingungen anregen; - Anlegen einer sich der elektrischen Wechselspannung überlagernden elektrischen Gleichspannung der elektrischen Gleichspannungsquelle (102) sowohl an den mechanischen Wandlerabschnitt (6), als auch an das Masseelement (4).
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Bereitstellen von wenigstens einem ein Wandlerpaar bildendes Paar elektromechanischer Wandler (1), wobei sich die Polarität der Gleichspannung, die an einem elektromechanischen Wandler des Wandlerpaars anliegt, von der Polarität der Gleichspannung, die an dem anderen elektromechanischen Wandler des gleichen Wandlerpaars anliegt, unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung einer ersten Frequenz f1 an den mechanischen Wandlerabschnitt (6) eines elektromechanischen Wandlers (1) des Wandlerpaars und Anlegen einer elektrischen Wechselspannung einer zweiten Frequenz f2, die von der ersten Frequenz um wenigstens 1 % und maximal um 20% abweicht, an den mechanischen Wandlerabschnitt (6) des anderen elektromechanischen Wandlers (1) desselben Wandlerpaars.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bereitstellen eines elektromechanischen Wandlers (1), bei dem das Masseelement (4) einen quaderförmigen Basisabschnitt (44) und einen einstückig mit diesem ausgeführten plattenförmigen Abschnitt (46), der sich von dem Basisabschnitt (44) weg erstreckt, aufweist, wobei der plattenförmige Abschnitt (46) den Schwingabschnitt (42) umfasst oder diesen ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Abschnitt (46) unsymmetrisch bezüglich des Basisabschnitts (44) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bereitstellen eines elektromechanischen Wandlers (1), bei dem das Masseelement (4) eine Zylinder- oder Hohlzylinderform aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bereitstellen eines elektromechanischen Wandlers (1), bei dem zwischen einer Schicht (5) und dem dazu benachbarten Masseabschnitt (2, 3) ein Isolationselement (8) oder ein Anpassungselement (9) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bereitstellen eines elektromechanischen Wandlers (1), bei dem aneinander angrenzende Schichten (5) desselben mechanischen Wandlerabschnitts (6) oder aneinander angrenzende Schichten (5) desselben elektrischen Wandlerabschnitts (7) entgegengesetzt zueinander ausgerichtete Polarisationsrichtungen (P) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Bereitstellen eines elektromechanischen Wandlers (1) mit zwei Masseelementen (4), bei dem die Schichten (5) des mechanischen Wandlerabschnitts (6) zwischen den Schichten (5) des elektrischen Wandlerabschnitts (7) gelegen sind, und die Schichten (5) des elektrischen Wandlerabschnitts (7) dabei gleichsinnige Polarisationsrichtungen (P) aufweisen.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Elektrolyse flüssiger Medien, insbesondere von Wasser, zur Generierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Erzeugung eines Plasmas unter Atmosphärendruck.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur thermischen Zerstörung von Krebszellen oder zur Verbrennung von Körperfettzellen.