DE2610681A1

DE2610681A1 - Elektrische leistungsquelle

Info

Publication number: DE2610681A1
Application number: DE19762610681
Authority: DE
Inventors: Melvin Max Newsom
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1976-03-13
Publication date: 1976-09-30
Also published as: CA1037090A; US3976898A; FR2305029B1; FR2305029A1; GB1485739A; CH595609A5; JPS5950118B2; JPS51139291A

Description

UNITED STATES ENERGY RESEARCH AND DEVELOPMENT ADMINISTRATION, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Elektrische Leistungsquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Leistungsquelle, die einen Körper aus vorbelastetem Glas aufweist, wobei der Körper einen piezoelektrischen Wandler trägt, der direkt mechanisch mit dem Körper gekuppelt ist.

Es gibt viele Anwendungsfälle, wo eine Leistungsquelle mit hoher Energie zweckmäßig wäre, und zwar selbst dann, wenn die Energie nur für eine kurze Zeitperiode erzeugt wird, und wobei die Leistungsquelle eine sehr kleine Größe besitzt und im Aufbau einfach ist. Beispielsweise kann eine derartige Leistungsquelle verwendet werden, um eine Langzeitleistungsquelle oder eine Leistungsquelle mit höherer Energie anzuregen, wie dies beispielsweise bei deaktivierten Batterien der Fall ist, die eine Startenergie für den Betriebsbeginn erfordern. Andere Anwendungsfälle sind die Ferndetonation von Sprengstoffen, das Auslösen eines Alarms oder die Erzeugung eines StrafVorgangs dann, wenn ein unzulässiges Eindringen in ein abgesichertes Gebiet oder in einen Behälter od.dgl. erfolgt. In diesen Anwendungsfällen wä-

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ORIGINAL INSPECTED

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re -es zweckmäßig, wenn die Leistungsquelle durch irgendeine einfache Vorrichtung erregbar oder betätigbar wäre, die selbst zur Initiierung keine merkliche Energie erforderlich macht. Darüber hinaus sollte eine derartige Leistungsquelle gegenüber Umweltbedingungen verhältnismäßig unempfindlich sein, denen die Leistungsquelle sowohl vor als auch während des Betriebs ausgesetzt ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine neue Leistungsquelle vorzusehen, die einen einfachen Aufbau besitzt und außerordentlich kompakt und leichtgewichtig ist. Die Erfindung bezweckt ferner eine Leistungsquelle vorzusehen, die ein Energiespeichermedium verwendet, welches von Natur aus für in der Nähe befindliche Ausrüstungsgegenstände oder Personal sicher ist und keinen ausgeklügelten oder übermäßigen Schutz erfordert, um eine Schädigung von in der Nähe vorhandenen Gegenständen oder Personal zu vermeiden. Die Erfindung sieht ferner eine Leistungsquelle vor, die verhältnismäßig leicht herzustellen, zusammenzubauen und zu verwenden ist.

Die Erfindung sieht eine Leistungsquelle vor, welche die in einem vorgespannten oder vorbeanspruchten oder vorbelasteten Glas gespeicherte Energie benutzt, um einen daran befestigten piezoelektrischen Wandler zu "schocken" (d.h. einen Stoß zu versetzen, um auf diese Weise eine elektrische Ausgangsgröße zu erzeugen).

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschrei bung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm der in einem vorgespannten Glaskörper - aus dem die Energie extrahiert werden kann - gespeicherten Beanspruchungen;

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Fig. 2 einen Querschnitt sowie eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Leistungsquelle;

Fig. 3 eine perspektivische teilweise aufgeschnittene Ansicht einer weiteren Anordnung einer Leistungsquelle, die einen vorgespannten Glaskörper und piezoelektrische Wandler verwendet.

W.ärmebehandlete oder chemisch verfestigte oder vorgespannte Keramik oder Glas wird im folgenden als "vorgespanntes Glas" bezeichnet und bezieht sich üblicherweise auf eine Gruppe oder Klasse von Keramik- oder Glas-Materialien, die speziell derart behandelt sind, daß der Hauptkörper des Mate- " rials unter einer Zugkraft steht, die durch eine unter Druckkraft stehende Oberflächenschicht aus Material .ausgeglichen wird, welche alle Oberflächen des Hauptkörpers bedeckt. Die Materialien werden im allgemeinen in die gewünschten Produkte oder Formen durch Formung gebracht, bevor die Materialien vorgespannt werden, wobei die Verformung beispielsweise durch Gießformen einer Glasschmelze erfolgt. Das ausgeformte Glasprodukt kann sodann geschliffen und auf eine gewünschte Endform gebracht werden, und zwar unter Verwendung von üblichen Glasbearbeitungsverfahren. Wenn gewünscht, können gewisse Gläser dann in eine kristalline Keramik umgewandelt werden, um durch bekannte Verfahren höhere mechanische Festigkeit zu erreichen. Beispiele für derartige Materialien sind die üblicherweise unter den Warenzeichen "Pyroceram" und "Chemcor" von den Corning Glass Works, Corning, New York (U.S.A.) verkauften Materialien. Das Keramik- oder Glasprodukt kann sodann behandelt werden, und zwar beispielsweise durch Erzeugung einer graduellen molekularen Ersetzung an einer Oberfläche, um im Material ein hohes inneres Beanspruchungsniveau zu erzeugen. Die Tiefe dieser molekularen Ersetzung kann typischerweise zwischen ungefähr 6 bis 15 Tausendstel Zoll liegen und zur

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Folge haben, daß das Innere des Materials unter eine Zugbeanspruchung mit einem Beanspruchungsniveau von ungefähr 10 000 bis 40 000 englischen Pfund pro Quadratzoll (psi) gebracht wird,während ein Oberflächenkompressions-Beanspruchungsniveau von bis zu 130 000 bis 150 000 psi entsteht. Eine allgemeine Beschreibung dieser Materialien und Verfahren zur Herstellung derselben ist der folgenden Literaturstelle zu entnehmen:"Prestressed Glass" auf den Seiten 286 bis 288 und 269 bis 271 in "Modern Materials" von Errol B. Shand, Bd. 6, 1968, herausgegeben von Academic Press, Inc., New York, New York; vgl. auch die Seiten 817 bis 827 der Literaturstelle "Fracture Mechanics of Ceramics", herausgegeben von R.C. Bradt und D.P.H. Hasselman, 1974, Verlag Plenum Publishing Corporation of New York, New York (U.S.A.). Die Restbeanspruchungen können gespeicherte elastische Energie darstellen, die durch Fortpflanzung von Sprüngen im vorgespannten Glaskörper freigegeben werden kann, wobei die Sprünge durch Eindringung in oder Beschädigung dieser äußeren Schicht hervorgerufen werden, wodurch sich die üblicherweise sogenannte Würfelbildung einstellt. Wenn die äußere beanspruchte oder zusammengedrückte Schicht teilweise oder vollständig zerbrochen oder in diese eingedrungen wird, und zwar durch irgendwelche bekannten Mittel, wie beispielsweise durch Bohren, Schmelzen, Ätzen, Schleifen, Schneiden, Kratzen, Biegen usw., diese Vorgänge werden im folgenden als Beschädigung der Oberfläche bezeichnet, so disintegriert das unter Zugbeanspruchung stehende Material explosionsartig unter Freigabe der gespeicherten Beanspruchungsenergie. Es wurde festgestellt, daß die zur Erzeugung dieser Zerstörung oder Disintegration erforderliche minimale Zugbeanspruchung ungefähr 8000 psi beträgt. Die sich ergebenden Brüche können sich durch das Material hindurch mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 5000 bis 6000 Fuß pro Sekunde fortpflanzen und ungefähr.11 bis 14 Zoll χ englische Pfund an Belastungsenergie erzeugen.

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Die Eigenschaften von entweder Keramik- oder Glasmaterialien, d.h. von vorgespanntem Glas, also Eigenschaften wie die Zerstörungskraft, die Größe der sich ergebenden Stücke und die mechanische Festigkeit, können durch Änderung der Zusammensetzung der Materialien oder der Verfahren zur Ausbildung dieser Materialien geändert werden, wie dies dem Fachmann bekannt ist.

In Fig. 1 sind diese Beanspruchungseigenschaften durch die Beanspruchungskurve 10 in einem vorgespannten Glaskörper als typischem Fall dargestellt. Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die Druckbeanspruchungsschicht durchdrungen wird, wie beispielsweise auf die an Stelle 14 angedeutete Dicke, so kann die Eindringung bis zum vollständigen Aufbrechen oder der Würfelbildung des vorgespannten Glaskörpers 12 durch dessen Volumen hindurch fortschreiten. Es wurde festgestellt, daß Energien von mehr als 10 000 ergs aus einem vorgespannten Glaskörper erzeugt werden können, und zwar unter Verwendung einer ferroelektrischen piezoelektrischen Keramikscheibe von 1 Zoll Durchmesser und 0,06 Zoll Stärke, gehaltert an dem beanspruchten Glaskörper. Bei dem in Fig. 2 mit stark übertriebener Dicke oder Stärke dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Körper aus vorgespanntem Glas 16 an einer Wand 18 innerhalb eines Gehäuses 20 getragen. Ein piezoelektrischer Wandler 22 kann innerhalb des Gehäuses 20 im wesentlichen direkt an einer Oberfläche des vorgespannten Glaskörpers 16 in der gezeigten Weise angeordnet sein, wobei eine geeignete aufgebrannte, aus Silber od. dgl. bestehende dünne Elektrode 24 sandwichartig zwischen einem piezoelektrischen Element oder einer Platte 26 und dem Körper 16 angeordnet ist. Das piezoelektrische Element 26 und der vorgespannte Glaskörper 16 sollten im allgemeinen derart angeordnet sein, daß die Hauptoberflächen benachbart angeordnet sind und sich gemeinsam erstrecken, um so die

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mechanische Kupplung der im vorgespannten Glaskörper gespeicherten Energie in das piezoelektrische Element zu erhöhen, und um die Extraktion der elektrischen Energie aus dem piezoelektrischen Element zu verbessern. Zudem sollte der piezoelektrische Wandler 22 in guter und im wesentlichen direkter mechanischer Kupplung gegenüber dem Körper 16 gehalten werden, beispielsweise durch (nicht gezeigte) mechanische Klemmvorrichtungen oder geeignete hochdichte Klebemittel, wie beispielsweise ein steifes Epoxyharz von ungefähr 0,1 bis ungefähr 1 Tausendstel Zoll Dicke, wobei dadurch eine steife Verbindung mit einer so dicht als möglichen direkten mechanischen Kupplung geschaffen wird. Wenn gewünscht, kann die Klebeschicht zwischen der Elektrode 24 und dem Körper 16 aus einem leitenden Material, wie beispielsweise einem Süberepoxyharz, hergestellt sein, um eine doppelte Funktion auszuüben. Die elektrische Energie vom piezoelektrischen Element 26 kann von diesem über die Elektrode 24 und deren Verbindung über ihren Umfang zum Gehäuse 20 und eine ähnliche zweite Elektrode 28 abgenommen werden, welch letztere an einer entgegengesetzt liegenden Oberfläche des Elements 26 angeordnet ist. Diese elektrische Energie kann über einen geeigneten Leiter und Übertragungsleitungen 60 mit einer geeigneten Verwendungsvorrichtung 32 gekoppelt werden.

Die Leistungsquelle, d.h. die Kombination aus dem vorgespannten Glaskörper 16 und dem piezoelektrischen Wandler 22 kann durch Anritzen oder durch in anderer Weise erfolgendes Durchdringen der Außenschicht des vorgespannten Glaskörpers 16 in dessen unter Zugspannung stehenden inneren Körper erfolgen, und zwar durch irgendwelche geeigneten Mittel, wie beispielsweise durch Beschleunigen einer Anreißnadel oder irgendeiner anderen zugespitzten Sonde 34 in den vorgespannten Körper 16 hinein, wie dies durch den Pfeil 36 angedeutet ist, wobei die

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Einführung durch eine geeignete Öffnung 38 in der Wand 18 erfolgt. Wenn die Sonde 34 die äußere Lage des vorgespannten Glaskörpers 16 durchdringt, so zerspringt der vorgespannte Glaskörper und zerfällt in Würfel, wodurch die darin gespeicherte Energie freigegeben wird und ein Stoß oder eine Stoßwelle erzeugt wird, die sodann durch Elektrode 24 in das piezoelektrische Element 26 übertragen wird. Das piezoelektrische Element 26 erzeugt dann einen elektrischen Impuls von einer Länge, Amplitude und Dauer entsprechend der im vorgespannten Körper 16 gespeicherten Energie, der Art des im Element 26 verwendeten piezoelektrischen Materials und seiner Größe, wobei der elektrische Impuls über Elektroden 24 und 28 sowie Kupplung" 30 an die Verwendungsvorrichtung 32 angelegt wird.

Die Verwendungsvorrichtung 32 kann irgendeine geeignete Vorrichtung sein, die in der Lage ist, den durch die Leistungsquelle erzeugten elektrischen Impuls zu verwenden;, die Verwendungsvorrichtung 32 kann beispielsweise eine Detonationsvorrichtung für eine Sprengvorrichtung, einen Alarm oder irgendwelche anderen geeigneten ausgelösten elektrischen Mechanismen umfassen. Die Sonde 34 kann irgendein Stoßelement, ein Zündstift oder ein anderer Gegenstand oder eine Vorrichtung sein, die die Außenlage oder Außenschicht des vorgespannten Glaskörpers 16 durchdringen kann.

Das piezoelektrische Element 26 kann irgendein geeignetes Material sein, welches den bekannten piezoelektrischen Effekt zeigt, d.h. ein Material, das bei Stoßbeanspruchungen ein elektrisches Signal entsprechend der Amplitude und Geschwindigkeit der Stoßwelle erzeugt. Derartige piezoelektrische Materialien können Einkristallquarz oder Lithiumniobat sein, die eine geeignete Kristallorientierung bezüglich des vorgespannten Glaskörpers.16 besitzen; ein weite-

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res geeignetes piezoelektrisches Material ist ein ferroelektrischer Keramikstoff, der eine entsprechende Polarisationsrichtung besitzt. Geeignete ferroelektrisch^ Keramikstoffe sind beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat-ferroelektrische Keramikstoffe od.dgl. Diese ferroelektrischen Keramikstoffe sind durch sehr hohe piezoelektrische Koeffizienten gekennzeichnet und ferner dadurch, daß sie in irgendeine gewünschte Form oder Gestalt gebracht werden können, die für eine spezielle Anwendung geeignet ist.

Der jeweilige vorgespannte Glaskörper 16 und der ferroelektrische Wandler 22 können in irgendeiner Gestalt oder Form vorgesehen sein, und zwar abhängig von der gewünschten Anwendung und dem Ort der Leistungsquelle. Da das piezoelektrische Element 26 nur in der Lage ist, einen Stoß
oder eine Druckwellenenergie aufzunehmen, die innerhalb des vorgespannten Glaskörpers erzeugt wird, der eng am piezoelektrischen Element anliegt und sich zusammen mit diesem erstreckt, kann es zur Erreichung einer minimalen Größe
zweckmäßig sein, den vorgespannten Glaskörper und den piezoelektrischen Wandler mit sich zusammen erstreckenden Randteilen vorzusehen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Es kann jedoch auch Anwendungsfälle geben, wo es zweckmäßig wäre, eine Vielzahl von piezoelektrischen Wandlern 22 verteilt
an unterschiedlichen Teilen oder Stellen auf einer oder mehreren Oberflächen eines größeren vorgespannten Glaskörpers vorzusehen, um so mehr als ein Leistungsquellensignal aus einem einzigen vorgespannten Glaskörper zu erzeugen, oder um die Signalerzeugung beim Eindringen in den vorgespannten Glaskörper sicherzustellen, für den Fall, daß die Gefahr bestünde, daß die Würfelbildung des vorgespannten
Glases nicht durch den Körper hindurch fortschreitet.

Eine besonders wirkungsvolle Ausnutzung der in dem vorge-

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spannten Glaskörper gespeicherten Energie erreicht man mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. -3. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein vorgespannter Glaskörper oder eine Scheibe 40 sandwichartig zwischen einem Paar von piezoelektrischen Wandlern angeordnet, die sich im wesentlichen über den Körper 40 hinweg erstrecken und mit diesem kreisförmige Randteile aufweisen. Ein Wandler umfaßt ein ringförmiges piezoelektrisches Element 42, welches sandwichartig zwischen Ringelektroden 44 und 46a angeordnet ist, wobei diese alle einen Mittelkanal 48 bilden, der die Verbindung vom Äußeren des Wandlers zu einer Oberfläche des beanspruchten Glaskörpers 40 herstellt. Der andere piezoelektrische Wandler umfaßt ein piezoelektrisches Element oder eine Scheibe 50, die sandwichartig zwischen einer Elektrode 46b und 52 liegt, wobei die Elektroden 46a und 46b miteinander durch einen Ring oder eine Ringelektrode 54 verbunden sind. Die miteinander verbundenen Elektroden 46a, 46b und 54 und die gemeinsam gekuppelten Elektroden 54 und 52 sind in geeigneter Weise mit einer entsprechenden Verwendüngsvorrichtung 56 verbunden. Man erkennt, daß die piezoelektrischen Elemente 42 und 50 derart orientiert sein sollten, daß sie die richtige Polarität der elektrischen Signale an ihren entsprechenden Elektrodenpaaren erzeugen, um entweder eine Serien- oder Parallel-Kupplung der elektrischen Energie für die Verwendungsvorrichtung 56 vorzusehen, wie dies für den speziellen Anwendungsfall erforderlich ist. Die Leistungsquelle kann durch eine geeignete Stechvorrichtung 58 in Betrieb gesetzt werden, die durch den Kanal 48 gegen die Oberfläche des darin freiliegenden vorgespannten Glaskörpers 40 gedrückt wird. Die Stechvorrichtung 58 kann durch eine geeignete Vorrichtung 60 angetrieben werden, die mit einer Zeitsteuervorrichtung oder einer anderen Verzögerungsvorrichtung ausge-

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stattet sein kann, wenn dies erforderlich ist.

Unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen ausgeformt aus Bleizirkonat-Titanat-ferroelektrischen Scheiben mit einer Stärke von ungefähr 0,07 Zoll und einem Außendurchmesser von ungefähr 2,25 Zoll und mit einem vorgespannten Glaskörper von ungefähr 0,125 Zoll Stärke und dem gleichen Durchmesser in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung wurde ein Einmikrofarad-Kondensator auf eine Spannung von 1800 Volt Amplitude auf eine Gesamtenergie von ungefähr 78 Milli-Joules aufgeladen, wenn der Körper zertrümmert wurde. Eine ähnliche Leistungsquelle wurde in Betrieb genommen und in einen 0,047 Mikrofarad-Kondensator entladen, der parallel zu einer Serienschaltung aus Funkenspalt (ausgewählt für einen 1200 Volt Durchbruch bei 200 Volt/Mikrosekunden) und einen Überbrückungsdraht geschaltet war. Der Überbrückungsdraht oder Überführungsdraht zerbarst bei 435 Ampere, und zwar 0,92 MikroSekunden nach Beginn des Wellenformanstiegs. Eine Leistungsquelle ähnlich der in Fig. 2 unter Verwendung einer Bleizirkonat-Titanatferroelektrischen Scheibe und eines vorgespannten Glaskörpers von ähnlicher Größe lud einen Kondensator der gleichen Größe auf ungefähr 1400 Volt und eine Gesamtenergie von ungefähr 46 Milli-Joules auf. Die verwendeten piezoelektrischen Wandler besaßen aufgebrannte Silberelektroden von ungefähr 0,5 bis 1 Tausendstel Zoll Stärke, und zwar vorzugsweise 1 Tausendstel Zoll oder weniger, und zwar zusammen mit einer Epoxyklebeschicht von ungefähr 1 Tausendstel Zoll Stärke.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche :

1.1 Leistungsquelle, gekennzeichnet durch einen Körper aus vorgespanntem Glas, welches bei Beschädigung einer Oberfläche explosionsartig zerfällt, und wobei ein piezoelektrischer Wandler direkt auf einer Stirnfläche des Körpers getragen ist und ein piezoelektrisches Element (26) aufweist, welches im wesentlichen augenblicklich stoßaktiviert wird über die Grenzflächen des Elements und des vorgespannten Glaskörpers hinweg, und wobei schließlich ein Paar von dünnen Elektroden (24, 26) auf entgegengesetzten Oberflächen des Elements (2 6) angeordnet ist, und wobei schließlich Verbindungsmittel vorgesehen sind, um die elektrische Energie von den Elektroden zu einer betätigbaren Vorrichtung zu leiten.

2. Leistungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden sandwichartig zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Körper sitzen und eine Stärke von ungefähr 0,5 bis ungefähr 1·Tausendstel Zoll besitzen.

3. Leistungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von piezoelektrischen Wandlern direkt auf dem Körper getragen ist.

4. Leistungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der piezoelektrischen Wandler auf entgegengesetzt liegenden Seiten des Körpers getragen ist.

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5. Leistungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet ι daß die piezoelektrischen Wandler und der Körper kreisförmig ausgebildet sind und im wesentlichen sich gemeinsam erstreckende Randteile aufweisen.

6. Leistungsquelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen benachbart zur Oberfläche des Körpers angeordneten Kolben, der durch Mittel gegen den Körper getrieben werden kann.

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