DE19950083A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Stabilisierung eines ferroelektrischen Plasmareaktors - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stabilisierung transienter Teilentladungen innerhalb der ferroelektrischen Schüttung eines Plasma-Schüttschicht-Reaktors zu erreichen, ohne dabei die Stromintensität der Teilentladungen und damit eine wesentliche Leistungskenngröße des Reaktors ungünstig zu beeinflussen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird prinzipiell gelöst, indem zwischen den Feldelektroden und der Keramikschüttung mindestens eine geschlossene ferroelektrische Barriere plaziert ist. DOLLAR A Die Erfindung ist zur Durchführung chemischer Reaktionen mittels elektrischem Entladungsplasma verwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines elektrischen Entladungs- Plasmas in einem ferroelektrischen Plasma-Schüttschichtreaktor. Plasmareaktoren dieses Typs sind aus der Literatur bekannt (z. B. T. Yamamoto u. a., nControl of volatile organic compounds by an energiezed ferroelectric pellet reactor and a pulsed corona reactor", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, 1996). Sie werden für plasmachemische An­ wendungen unter Normaldruckbedingungen eingesetzt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur thermischen Autostabilisierung eines elek­ trischen Entladungsplasmas, welches in einem Apparat (im folgenden Plasmareaktor ge­ nannt) unter Verwendung ferroelektrischer Dielektrika erzeugt wird.

Beim ferroelektrischen Schüttschichtreaktor wird die geschlossene dielektrische Barriere, wie sie beispielsweise beim Ozonisator Anwendung findet, durch ein hochdielektrisches Material in Form einer Schüttung ersetzt. Das Funktionsmerkmal des Fehlens einer ge­ schlossenen dielektrischen Barriere liegt auch der in der Offenlegungsschrift DE 36 02 238 A1 beschriebenen Vorrichtung zur Ionisierung von Molekülen unter Verwendung ferroelek­ trischer Formkörper vor, wobei hier durch eine spezielle Anordnung der Formkörper und durch deren Formgestaltung erreicht wird, daß eine durchgehende Isolierstoffschicht zwi­ schen den Elektroden überflüssig wird.

Bei der Maßstabsvergrößerung einer elektrischen Entladungsanordnung wird die Stromer­ giebigkeit der Hochspannungsquelle erhöht, was dazu führen kann, daß sich beim Schütt­ schichtreaktor mit ferroelektrischen Schüttschichtelementen an einzelnen Stellen innerhalb der Schüttung energiereiche, lokal fixierte Entladungskanäle ausbilden können, die dann bei weiterem Betrieb des Reaktors zu einem elektrischen Durchschlag führen.

Der Gedanke, den Strom durch eine dielektrische Barriere zu limitieren, ist an sich nahelie­ gend. Eine dementsprechende Anordnung, bestehend aus einer dielektrischen Schüttung und einer dielektrischen Barriere, wurde von M. Penetrante u. a. (IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 23, 1995) in Verbindung mit einer Impuls-Spannungsversorgung ver­ wendet.

Im Gegensatz zu dieser Entladungsanordnung wird beim Reaktor mit einer ferroelektrischen Schüttung das Plasma mittels einer niederfrequenten Wechselspannung erzeugt. Die Ver­ wendung bekannter dielektrischer Barrieren (Glas, Aluminiumdioxidkeramik, Titandioxidke­ ramik) führt bei einem ferroelektrischen Schüttschichtreaktor zu einer unerwünschten Ver­ minderung des Entladungsstroms und einer verminderten Leistungsfähigkeit des Apparates.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stabilisierung transienter Teilentladungen innerhalb der ferroelektrischen Schüttung eines Plasma-Schüttschicht­ reaktors zu erreichen, ohne dabei die Stromintensität der Teilentladungen und damit eine wesentliche Leistungskenngröße des Reaktors ungünstig zu beeinflussen.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Merkmal gelöst. Erfindungsge­ mäß wird zwischen den Elektroden zusätzlich zur ferroelektrischen Schüttung eine ge­ schlossene Barriere aus einem ferroelektrischen Material angeordnet. Die hohe Permitivität der ferroelektrische Barriere ermöglicht, daß die Kapazität der Barriere an die Kapazität der Schüttung angepaßt werden kann. Dazu wird die Barriere so ausgelegt, daß die dielektri­ schen Kapazitäten der Barriere und der Schüttung in der gleichen Größenordnung liegen, wobei die elektrische Durchschlagfestigkeit der Barriere stets oberhalb einer maximal auf­ tretenden Spannung liegt. In einer elektrischen Ersatzschaltung entspricht das der Reihen­ schaltung zweier nahezu gleich großer Kapazitäten, wobei eine davon eine ausreichende Spannungsfestigkeit entsprechend der insgesamt angelegten Spannung besitzt. Die Anord­ nung nach den Merkmalen nach den Ansprüchen 1 und 2 entspricht der Forderung, daß ein elektrischer Durchschlag sicher ausgeschlossen werden kann und gewährleistet außerdem, daß der Entladungsstrom auf einem hohen Niveau stabilisiert wird, wobei vorteilhafter Weise eine im Vergleich zu anderen Entladungsanordnungen niedrige Betriebsspannung beibehal­ ten werden kann. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert:

Fig. 1a zeigt einen ferroelektrischen Schüttschichtreaktor, bei dem die Elektroden 1 durch zwei koaxiale Rohre gebildet werden. Zwischen den Elektroden befinden sich die ferroelek­ trische Schüttung 2 und die ferroelektrische Barriere 3. Durch Variation der Fläche und der Dicke der Barriere wird erreicht, daß zum einen die Kapazität der Barriere an die Kapazität der ferroelektrischen Schüttung angepaßt werden kann und daß gleichzeitig eine ausrei­ chende Spannungsfestigkeit der Barriere gewährleistet ist. Eine dementsprechende Ausle­ gung führt zu Ausführungen der erfindungsgemäßen Entladungsanordnung entsprechend Fig. 1b und 1c.

Während bei der Ausführung nach Fig. 1a zwei Vollmetallelektroden eingesetzt werden, welche die äußere und die innere Wand des Schüttschichtreaktors bilden, wird in den Aus­ führungen entsprechend Fig. 1b und 1c entweder die innere oder die äußere Wand des Schüttschichtreaktors durch die ferroelektrische Barriere gebildet. In diesen Fällen wird ent­ weder die innere oder die äußere Elektrode durch eine Metallisierung 4 der ferroelektrischen Barriere realisiert.

Wie oben erwähnt, betrifft die Erfindung weiterhin ein Verfahren zur thermischen Autostabi­ lisierung eines elektrischen Entladungsplasmas, welches in einem Apparat (im folgenden Plasmareaktor genannt) unter Verwendung ferroelektrischer Dielektrika erzeugt wird. Bei dem Apparat kann es sich beispielsweise um den oben genannten ferroelektrischen Schütt­ schichtreaktor ohne geschlossene Barriere oder um eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Merkmalen nach Anspruch 1 und 2 handeln.

Plasmareaktoren, welche in dem Entladungsstrompfad ein ferroelektrisches Dielektrikum aufweisen, besitzen den Nachteil, daß bei Erhöhung der Temperatur des ferroelektrischen Dielektrikums, beispielsweise verursacht durch eine exotherme chemische Reaktion von Gasbestandteilen oder durch eine Veränderung der Gleichgewichtstemperatur infolge einer Schwankung des Volumenstroms, der Entladungsstrom anwächst. Die Erhöhung des Entla­ dungsstroms führt dann zu einer weiteren Temperaturerhöhung des ferroelektrischen Dielek­ trikums, womit sich ein Autoprozeß einstellt, der am Ende zur thermischen Überlastung des Reaktors führt.

Üblicher Weise wird daher der elektrische Strom mittels einer Konstantstromquelle zuge­ führt. Das erfordert einen erhöhten schaltungstechnischen Aufwand seitens der Stromver­ sorgung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Entladungsstrom in einer Entla­ dungsanordnung mit einem ferroelektrischen Dielektrikum thermisch zu stabilisieren, ohne eine gesonderte stromstabilisierende elektrische Schaltung in die den Entladungsstrom lie­ fernde Hochspannungsanlage einzubeziehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 3 gelöst. Es wurde festgestellt, daß bei üblichen ferroelektrischen Dielektrika (z. B. Bariumtitanat- Keramik, Blei-Zirkoniumtitanat-Keramik) die Zunahme des Entladungsstroms mit der Erhö­ hung der Temperatur auf ein Anwachsen der Permitivität des ferroelektrischen Materials zurückzuführen ist. Die Temperaturverläufe der Permitivität ferroelektrischer Keramiken sind nicht einheitlich. Sie wiesen aber allgemein die Erscheinung auf, daß in einem Bereich kurz unterhalb der Curie-Temperatur die Permitivität bei Temperaturerhöhung stark ansteigt und oberhalb der Curie-Temperatur abfällt. Liegt die Betriebstemperatur des Plasmareaktors in einem Bereich unterhalb der Curie-Temperatur, führt das bei einer dielektrisch behinderten elektrischen Entladung zu dem oben beschriebenen unerwünschten Autoprozeß. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren mit dem Merkmal nach Anspruch 3 geht von der Erkenntnis aus, daß dieser Temperaturbereich für den Betrieb eines Plasmareaktors gemieden werden muß. Im allgemeinen wird man die Temperatur in einem Plasmareaktor nicht durch zusätzliche technische Maßnahmen einstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher vor, daß zur Stabilisierung des Entladungsstroms ein ferroelektrisches Dielektrikum eingesetzt wird, welches eine Curie-Temperatur hat, die niedriger ist als die Betriebstemperatur des Plasma­ reaktors. Steigt unter diesen Bedingungen die Temperatur des ferroelektrischen Dielektri­ kums an, so verringert sich seine Permitivität. Ist dieser Effekt ausreichend stark ausge­ prägt, so verringert sich dadurch der Entladungsstrom, wodurch dem Dielektrikum auf die­ sem Wege weniger Wärme zugeführt wird, so daß sich ein stabiler thermischer Zustand einstellt. Es ist erforderlich, daß die Curie-Temperatur des Dielektrikums gezielt auf die zu erwartende Betriebstemperatur des Reaktors eingestellt wird. Zum einen muß gewährleistet sein, daß die Curie-Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur liegt, zum anderen dürfen sich beide Temperaturen aber nicht zu stark unterscheiden, da ansonsten aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten der Permitivität diese so stark verringert ist, daß die Funk­ tion des ferroelektrischen Dielektrikums, die eine ausreichende Höhe der Permitivität vor­ aussetzt, nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten in der Nähe der Curie-Temperatur am höchsten, so daß eine ausreichende stromstabilisie­ rende Wirkung nur hier erreicht werden kann.

Die Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 3 weist die konstruktiven Merkmale von Anspruch 1 und 2 auf. Die thermische Autostabilisierung wird dadurch er­ reicht, daß anstelle der ferroelektrischen Barriere nach Anspruch 1 und 2 eine Barriere aus einer ferroelektrischen Keramik mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Permitivi­ tät nach Anspruch 3 eingesetzt wird. Für die Auslegung dieser Barriere trifft das Merkmal nach Anspruch 2 zu. Die Zeichnungen Fig. 2a bis 2c veranschaulichen die Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 3. An die Stelle der ferroelektrischen Barriere 3 in Fig. 1a bis 1c tritt die ferroelektrische Barriere 5 mit negativem Temperaturkoeffizienten der Permitivität. Den konstruktiven Merkmalen von Fig. 1a bis 1c und Fig. 2a bis 2c ent­ sprechen die Ansprüche 5 und 6.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung elektrischer Teilentladungen in einem ferroelektrischen Schüttschichtreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Feldelektroden und der Keramikschüttung mindestens eine geschlossene ferroelektrische Barriere plaziert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere an den Schütt­ schichtreaktor in der Weise angepaßt ist, daß ihre elektrische Kapazität in der gleichen Größenordnung wie die Kapazität der Schüttung liegt.

3. Verfahren zur thermischen Autostabilisierung von Plasmareaktoren, deren Funkti­ onsprinzip auf der Plazierung eines ferroelektrischen Dielektrikums zwischen den elektri­ schen Feldelektroden basiert, dadurch gekennzeichnet, daß man für das Dielektrikum ein ferroelektrisches Material einsetzt, welches im Bereich der Betriebstemperatur des Reak­ tors seine Permitivität bei Temperaturerhöhung in dem Maße verringert, daß sich der Entladungsstrom abschwächt bis sich ein stabiler thermischer Zustand einstellt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekenzeichnet, daß zwischen zwei Elektrodenflächen eine ferroelektrische Schüttung oder ferroelektri­ sche Formkörper und mindestens eine geschlossene ferroelektrische Barriere nach An­ spruch 1 und 2 angeordnet sind, wobei die Formkörper bzw. die Schüttung und/oder die Barriere aus einem ferroelektrischen Material nach Anspruch 3 bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer rohrförmigen koaxialen Elektrodenanordnung die ferroelektrische Barriere ein Rohr ist, welches als in­ nere und/oder äußere Wandung des Schüttschichtreaktors dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß entweder zwei Voll­ metallelektroden vorhanden sind, zwischen denen sich die ferroelektrische Schüttung und die geschlossene ferroelektrische Barriere befinden, oder daß eine Elektrode des Schüttschichtreaktors die metallisch beschichtete Oberfläche der ferroelektrischen Barrie­ re ist.