DE19950083C2 - Vorrichtung zur Stabilisierung eines ferroelektrischen Plasmareaktors - Google Patents

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., "Control 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 Anwendungen unter Normaldruckbedingungen eingesetzt.

Bei einem ferroelektrischen Schüttschichtreaktor wird die geschlossene dielektrische Barrie­ re, wie sie beispielsweise beim Ozonisator Anwendung findet, durch ein hochdielektrisches Material in Form einer Schüttung ersetzt. Dieses Funktionsmerkmal liegt auch der in der Offenlegungsschrift DE 36 02 238 A1 beschriebenen "Vorrichtung zur Ionisierung von Mole­ külen unter Verwendung ferroelektrischer Formkörper" vor, wobei hier durch eine spezielle Anordnung der Formkörper und durch deren geometrische Gestaltung erreicht wird, dass eine durchgehende Isolierstoffschicht zwischen den Elektroden überflüssig wird. In der Pa­ tentschrift US 4 954 320 A wird ebenfalls ein Schüttschichtreaktor als Vorrichtung zur Stabi­ lisierung elektrischer Teilentladungen vorgeschlagen. Dort wird allerdings eine koaxiale E­ lektrodenanordnung verwendet, bei der eine durchgehende Barriere lediglich zum Schutz der Elektroden vor Verunreinigungen durch den Gasstrom eingesetzt wird. Die Barriere aus Metall, Polymer, Glas, Keramik oder anderen Materialien hat keine elektrische Funktion. Aus den Druckschriften WO 99/30 807 und US 5 609 736 A ist darüber hinaus bekannt, die Wirkung einer Abgasreinigung in einem katalysegestützten nichtthermischen Plasmareaktor durch die Verwendung von ferroelektrischen, keramischen Pellets, die sich durch hohe Dielektrizitätskonstanten auszeichnen, zu verbessern.

Bei der Maßstabsvergrößerung einer elektrischen Entladungsanordnungen wird die Strom­ ergiebigkeit der Hochspannungsquelle erhöht, was dazu führen kann, dass sich beim Schüttschichtreaktor mit ferroelektrischen Schüttschichtelementen an einzelnen Stellen in­ nerhalb 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 naheliegend. 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 verwendet.

Eine Kombination aus ferroelektrischer Schüttung mit einem geschlossenen dielektrischen Rohr wird ebenfalls in der Patentschrift US 3 983 021 vorgeschlagen. Dort werden aber für das Rohr nichtleitende Materialien mit ausnahmslos niedrigen Dielektrizitätskonstanten vor­ geschlagen. Auf die damit verbundene unerwünschten Verminderung des Entladungs­ stroms und verminderte Leistungsfähigkeit des Apparates beim Betrieb mit niederfrequen­ tem Wechselstrom wird nicht eingegangen.

Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stabilisierung transienter Teilentladungen innerhalb der ferroelektrischen Schüttung eines Plasma- Schüttschichtreaktors zu erreichen, ohne dabei die Stromintensität der Teilentladungen und damit eine wesentliche Leistungskenngröße des Reaktors ungünstig zu beeinflussen. Erfin­ dungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch wird gewährleistet, dass der dielektrische Verschie­ bungsstrom durch den Reaktor auf einem hohen Niveau stabilisiert wird. Auf diese Weise wird im Vergleich zu anderen Reaktoranordnungen eine hohe Energiedichte in der Entla­ dungsanordnung und der Reaktorbetrieb bei relativ niedrigen Betriebsspannungen gewähr­ leistet.

Plasmareaktoren, welche in dem Entladungsstrompfad ein ferroelektrisches Dielektrikum aufweisen, besitzen den Nachteil, dass bei Erhöhung der Temperatur des ferroelektrischen Dielektrikums, beispielsweise verursacht durch elektrische Verlustprozesse, exotherme chemische Reaktionen von Gasbestandteilen oder durch die Veränderung der Gleichge­ wichtstemperatur infolge einer Schwankung des Volumenstroms, der Entladungstrom an­ wächst. Die Erhöhung des Entladungsstroms führt dann zu einer weiteren Temperaturerhö­ hung des ferroelektrischen Dielektrikums, 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 weiterhin die Aufgabe zugrunde, den Entladungsstrom in einer Entladungsanordnung mit einem ferroelektrischen Dielektrikum thermisch zu stabilisieren, ohne eine gesonderte stromstabilisierende elektrische Schaltung in die den Entladungs­ strom liefernde Hochspannungsanlage einzubeziehen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 2.

Für ferroelektrische Werkstoffe ist bekannt, dass sie im Zusammenhang mit strukturellen Phasenumwandlungen in ihrem kristallinen Gefüge charakteristische Temperaturabhängig­ keiten der Dielektrizitätskonstanten zeigen (siehe z. B. Bergmann-Schäfer, Lehrbuch der Exprimentalphysik, Band II, Elektrizität und Magnetismus, 7. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin New York 1987, Seiten 98 bis 103). Das sind insbesondere ein positiver Temperatur­ koeffizient bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur und ein negativer Tempera­ turkoeffizient oberhalb der Curie-Temperatur. Weiterhin ist bekannt, dass man die Curie­ temperatur ferroelektrischer Keramiken durch Herstellung fester Lösungen unterschiedlicher Titanatwerkstoffe (z. B. aus Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Bleititanat oder auch aus verschiedenen Stannaten, Zirkonaten oder Niobaten) gezielt einstellen kann.

Der Erfindung gemäß Anspruch 2 liegt nun der Gedanke zugrunde, dass durch geeignete Wahl der Zusammensetzung der ferroelektrischen Keramik für die Schüttung und/oder die dielektrische Barriere die Temperaturabhängigkeit der Permittivität und damit der elektri­ schen Kapazität der Keramikteile so eingestellt wird, dass bei Erhöhung der Temperatur im Reaktor die Intensität der Entladung abgeschwächt wird. Dadurch werden sowohl die elekt­ rische Verlustleistung als auch die Intensität der möglicherweise exothermen chemischen Reaktionen im Reaktor vermindert.

Ist die Temperaturabhängigkeit der Permittivität genügend stark ausgeprägt, so kann eine thermische Autostabilisierung des Prozesses erreicht werden.

Die thermische Autostabilisierung wird dadurch erreicht, dass anstelle der ferroelektrischen Barriere nach Anspruch 1 eine Barriere aus einer ferro­ elektrischen Keramik mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Permittivität nach Anspruch 2 eingesetzt wird. Für die Auslegung dieser Barriere trifft das Merkmal nach An­ spruch 1 zu. Die Zeichnungen Fig. 2a bis 2c veranschaulichen die Vorrichtung zur Realisie­ rung des Verfahrens nach Anspruch 2. An die Stelle der ferroelektrischen Barriere 3 in Fig. 1a bis 1c tritt die ferroelektrische Barriere 5 mit negativem Temperaturkoeffizienten der Permittivität.

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 ferroelekt­ rische 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, die die äußere und die innere Wand des Schüttschichtreaktors bilden, wird in den Ausführun­ gen endsprechend Fig. 1b und 1c entweder die innere oder die äußere Wand des Schütt­ schichtreaktors durch die ferroelektrische Barriere gebildet. In diesen Fällen wird entweder die innere oder die äußere Elektrode durch eine Metallisierung 4 der ferroelektrischen Bar­ riere realisiert.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung elektrischer Teilentladungen in einem ferro­ elektrischen Schüttschichtreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Feldelektroden und der Keramikschüttung mindestens eine geschlossene fer­ roelektrische Barriere platziert ist und dass die Barriere an den Schütt­ schichtreaktor in der Weise angepasst ist, dass ihre elektrische Kapazität in der gleichen Größenordnung liegt wie die Kapazität der Schüttung selbst.

2. Vorrichtung zur thermischen Autostabilisierung von Plasmareaktoren, deren Funktionsprinzip auf der Platzierung eines ferroelektrischen Dielektrikums zwischen den elektrischen Feldelektroden basiert, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Dielektrikum um ein ferroelektrisches Material handelt, welches im Bereich der Betriebstemperatur des Reaktors seine Permittivität bei Temperaturerhöhung in dem Maße verringert, dass sich der Entladungsstrom abschwächt, bis sich ein stabiler thermischer Zustand einstellt, dass zwischen den Feldelektroden und der Keramikschüttung mindestens eine geschlossene ferroelektrische Barriere platziert ist und dass die Barriere an den Schütt­ schichtreaktor in der Weise angepasst ist, dass ihre elektrische Kapazität in der gleichen Größenordnung liegt wie die Kapazität der Schüttung selbst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei ei­ ner koaxialen Elektrodenanordnung die ferroelektrische Barriere ein Rohr ist, welches als innere und/oder äußere Wandung des Schüttschichtreaktors dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass entwe­ der zwei Vollmetallelektroden vorhanden sind, zwischen denen sich die ferro­ elektrische Schüttung und die geschlossene ferroelektrische Barriere befinden, oder dass eine Elektrode des Schüttschichtreaktors die metallisch beschichtete Oberfläche der ferrolektrischen Barriere ist.