用于产生介质阻挡放电的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于产生介质阻挡放电(dielektrischen barriereentladung)的装置、一种具有这样的装置的设备以及一种用于产生介质阻挡放电的方法。

背景技术：

1、介质阻挡放电经常用于臭氧发生器中，在其中应通过面放电从空气流中生成臭氧。形成工艺气体(臭氧从该工艺气体产生)的空气流在此经常也用于冷却装置。为了避免装置的过热，需要最小空气量，其导致产生的臭氧变稀，由此可产生的臭氧浓度保持被限制。

2、在医疗应用中，大于10000ppm的非常高的臭氧浓度可为有利的。高臭氧浓度对微生物有强烈的影响，并且可强烈地降低直至完全杀死初始种群的时间。如果微生物在短时间内遭受高臭氧浓度，则对被暴露的材料的表面的影响占主导地位。小型结构、如带有约50nm的伸展量的病毒和带有小于1μm的伸展量的细菌在高臭氧浓度下在短暴露下会严重受损。较厚结构、如人类皮肤相对于短暴露耐受，因为作用深度受到扩散的限制在短暴露下保持很低。为了杀死微生物而在此不损害人类皮肤，有利的是使其在很短的时间内遭受高臭氧浓度，以便在表面上实现杀菌效果，这对体积仅轻微作用。

技术实现思路

1、本发明的任务是说明一种用于产生介质阻隔放电的改进装置。该装置应例如可实现产生带有高浓度的臭氧而在此没有过热。

2、该任务通过根据权利要求1所述的装置来解决。有利的进一步改进方案是从属权利要求的对象。

3、提出了一种用于产生介质阻隔放电的装置，该装置具有热电结构元件，例如帕尔贴元件、电极和高压电源。电极与热电结构元件相对地布置。高压电源设计成在热电结构元件和电极之间产生高电压，该高电压足以点燃介质阻挡放电。

4、因此，本发明涉及一种用于产生介质阻挡放电的装置，在其中热电结构元件用作配对电极，其中，在电极和用作配对电极的热电结构元件之间可点燃介质阻挡放电。介质阻挡放电可作为面放电或体积放电(volumenentladung)被点燃。

5、尤其地，热电结构元件可为帕尔贴元件或具有热电陶瓷材料的结构元件。

6、热电结构元件在此可冷却工艺气体。因此，不再需要用于冷却放电区域的工艺气体的强流。因此，由于不再产生臭氧浓度的变稀，现在可在介质阻挡放电中实现例如大于1000ppm的高臭氧浓度。在此，工艺气体可具有在每分钟1.5升和每分钟2.5升之间、例如每分钟2升的流量。在一些实施例中，可实现大于2000ppm的臭氧浓度。

7、热电结构元件此外可实现在介质阻挡放电中调整工艺气体的温度。工艺气体的温度对在介质阻挡放电中产生的气体的组分具有显著影响。尤其地，产生的臭氧和产生的含氮气体的份额通过温度确定。因此，热电结构元件可实现调整在介质阻挡放电中反应性物质的产生的浓度和产生的量。此外，它们可保持稳定，因为热电结构元件防止热漂移。因此，该装置可实现通过介质阻挡放电产生精确限定的气体组分。这例如在医疗应用中是重要的。此外，该装置可实现在超过其时触发等离子体点燃的点燃电压同样没有热漂移并且保持恒定。

8、此外，热电结构元件还可实现调整工艺气体的湿度。例如，热电结构元件可在介质阻挡放电之前冷却工艺气体，且在此减少其湿度。工艺气体的湿度也对介质阻挡放电中产生的物质的组分和浓度具有影响。

9、在介质阻挡放电中，从电极和热电结构元件中选出的一个可处于高电压电势上且相应另一个可处于低电压电势或接地电势上。如果电极处于低电压电势或接地电势上，电极可通过任意的足够电容性的表面形成，其靠近热电结构元件布置。

10、热电结构元件可具有两个或更多个热电元件，其中热电结构元件具有金属桥，其蜿蜒状地连接热电元件，其中热电结构元件具有第一陶瓷板，其在热电结构元件的朝向电极指向的上侧处覆盖金属桥，且其中热电结构元件具有第二陶瓷板，其在热电结构元件的下侧处覆盖金属桥。在此热电结构元件的朝向电极指向的侧边可称为上侧。热电结构元件的与上侧相对而置的侧边称为下侧。

11、热电元件在此可布置成排，其中两个彼此相邻的热电元件分别在其上侧处或在其下侧处通过金属桥彼此连接。备选地，热电元件可布置在二维矩阵结构中，其中金属桥在二维蜿蜒形状中连接热电元件，其中沿着二维蜿蜒形状彼此相邻的热电元件在其上侧处或在其下侧处通过金属桥彼此连接。

12、金属桥可分别通过非金属化面彼此分离，其中在两个相邻的金属桥之间的非金属化面的最大伸展量小于第一陶瓷板的厚度。金属桥在此可岛状地布置在第一和第二陶瓷板上。

13、通过金属桥的这样的尺寸设计，可阻止在金属桥之间在热电结构元件的内侧处的寄生放电。

14、金属桥和第一陶瓷板可如此设计尺寸，即满足如下不等式：

15、d>uzünd/ubetrieb×ε2/ε1×a

16、其中d表示第一陶瓷板的厚度。uzünd表示点燃电压，在超过该点燃电压时发生在金属桥之间的等离子体点燃。ubetrieb表示施加到装置处的运行电压。ε2表示第一陶瓷板的介电常数。ε1表示空气的介电常数且a表示相邻的金属桥的间距。

17、此外，热电结构元件可具有弱导电层。弱导电层可布置在第一陶瓷板和金属桥之间。弱导电层可布置在第一陶瓷板的内侧处，该内侧朝向金属桥指向。

18、弱导电层可直接触碰金属桥和第一陶瓷板。弱导电层可在此平衡在热电结构元件的电势中的不均性，该不均性通过岛状的金属桥形成。弱导电层可以该方式确保均匀地实现放电。此外，可通过弱导电层避免在陶瓷板的内侧处的放电。

19、弱导电层可为以薄层技术施加到第一陶瓷板上的层。例如，弱导电层可喷涂或印刷到第一陶瓷板上。

20、备选地，第一陶瓷板可具有多层结构且与之相应地以厚层技术制成。在此，弱导电层可为第一陶瓷板的子层。例如，弱导电层可构造为多层结构的最外层，其中第一陶瓷板如此布置在金属桥处，即使得弱导电层朝向金属桥指向。备选地，弱导电层可为多层结构的内层，其布置在两个陶瓷层之间。

21、第一和第二陶瓷板可具有氧化铝和/或氮化铝。氧化铝可为相应的陶瓷板提供高热导率且因此支持冷却或加热功能。氧化铝可确保相应的陶瓷板耐腐蚀且电绝缘。陶瓷板可具有由多个子层构成的多层结构，其中子层具有例如氧化铝和氮化铝。备选地，陶瓷板可由唯一层组成。由唯一的氮化铝层制成的陶瓷板在装置的运行的进程中在其朝向电极指向的面处氧化，其中形成氧化铝层，其保护免于腐蚀。

22、陶瓷板可此外具有金属化区域，其促使场引导。金属化区域可由氧化铝或氮化铝包围，从而阻止金属化区域的腐蚀。

23、陶瓷板可此外具有起绝缘作用的区域，电场不穿透该起绝缘作用的区域。

24、弱导电层可由金属化物、例如由镍制成。弱导电层可具有在10nm和100nm之间、优选地在25nm和75nm之间的厚度。弱导电层的比电阻可处于1×10-2ω×mm2/m和1×10-1ω×mm2/m之间。弱导电层的面电阻可处于0.2ω和5ω之间，优选地在1.0ω和2.0ω之间。例如，弱导电层可由带有10-2ω×mm2/m的比电阻的由镍构成的薄的50nm的层制成，其中得到1.4欧姆的面电阻。

25、弱导电层可具有至少为热电元件经由金属桥的蜿蜒状连接的电阻的100倍的电阻。由此可避免，流动经过热电结构元件的直流电流导引经过弱导电层。以该方式，可避免通过串联的热电元件的短路引起的附加的损失功率。与之相应地，弱导电层不损害热电结构元件的功能。

26、弱导电层可具有至少一种起导电作用的元素，例如cr或ni，和/或至少一种起半导电作用的元素，例如b或si，和/或至少一种起绝缘作用的材料，例如sio2或al2o3。

27、弱导电层可以期望的方式影响热电结构元件的面导电率，以便如此避免寄生放电。

28、装置可具有起导电作用的结构，其布置在陶瓷板和布置在热电元件的下侧处的金属桥之间且其与接地电势连接。起导电作用的结构可备选或补充于弱导电层设置。起导电作用的结构可具有与弱导电层类似的作用且阻止在下侧的内侧处的寄生放电。在一种实施例中，起导电作用的结构是网状的。

29、热电结构元件可为帕尔贴元件，其中热电元件具有半导体材料。备选地，热电结构元件可基于热电陶瓷材料，其中热电元件具有热电陶瓷材料。

30、热电陶瓷材料可包括在mn原子的位置处部分掺杂有fe原子的钙锰氧化物。热电陶瓷材料可具有由通式ca1-x-yisoxdonymn1-zfezon描述的材料，其中iso表示可在晶格中替代ca2+的二价元素，don表示可在晶格中替代ca2+并为导电性提供电子的元素，并且

31、其中0≤x≤0.5；0<y≤0.5；0.0001≤z<0.2；n≥2。热电陶瓷材料可具有基于组分(ca3-xnax)co4o9-δ的材料，其中0.1≤x≤2.9且0<δ≤2。

32、高压电源可设计成用于将高电压交变电势施加到电极处。装置可此外具有直流电压电源，其设计成用于将低直流电压施加到热电结构元件处。在电极和热电结构元件之间由此存在高电压，通过该高电触发介质阻挡放电。在此，装置可设计成用于点燃作为在热电结构元件和电极之间的间隙中的体积放电的介质阻挡放电。

33、热电结构元件可在朝向电极指向的表面处具有金属化物，其中高压电源设计成用于将高电压电势施加到热电结构元件处。电极可处于接地电势或接近接地的电势上。在该情况中在金属化物和电极之间可触发介质阻挡放电。介质阻挡放电可作为在金属化物处的面放电被点燃。

34、金属化物可由起导电作用的材料和/或由起半导电作用的材料，例如由铋和铑形成的混合物。金属化物可由在氢气气氛下燃烧的mo/mn浆料或与氧化结合剂(例如铝氧化物、锰氧化物、镁氧化物或钛氧化物)混合的w浆料制成。

35、装置附加地可包括鼓风机，该鼓风机被设计成导引工艺气体通过电极和热电结构元件之间的间隙，和/或具有冷却体。除了热电结构元件之外，鼓风机和冷却体可附加地有助于冷却工艺气体。

36、热电结构元件可设计成冷却或加热工艺气体。备选地或补充地，热电结构元件可设计成在运行循环中连续地改变工艺气体的温度。在此，工艺气体可经历大的温度范围。在该温度范围内，介质阻挡放电被点燃，其中可经历从ros到rns的整个物质谱。以这种方式，例如，可实现对表面的特别彻底的消毒。

37、电极和/或热电结构元件可被施覆有玻璃状的层。该层可是熔釉或烧釉。该层可是化学和热稳定的，并且保护电极或热电结构元件免受在介质阻挡放电中产生的起氧化作用的物质的影响。该层可与之相应地延长装置的使用寿命。

38、热电结构元件具有不直接与电极相对而置的区域。与之相应地，热电结构元件可具有比电极更大的面伸展量。装置可设计成使得工艺气体首先被引导经过热电结构元件的不与电极相对而置的区域，且然后才进入放电区域，在该放电区域中热电结构元件和电极相对而置。那么在不直接与电极相对而置的区域中，可由热电结构元件调节工艺气体的温度。例如，通过冷却工艺气体，湿气可从工艺气体中冷凝出来，并且可实现更干燥的工艺气体。

39、装置可具有操控器，该操控器设计成用于首先在冷却运行中运行该装置，在该冷却运行中不触发介质阻挡放电且装置的表面被冷却到低于露点，其中通过冷凝在表面上产生水膜，并且紧接着装置在放电运行中运行，在该放电运行中在水膜上产生介质阻挡放电。

40、该装置可设计为在加热运行中运行，在该加热运行中不触发介质阻挡放电，且装置的表面被加热至大于100°的温度。

41、该装置可具有从温度传感器、臭氧传感器和湿度传感器中选出的至少一个传感器，其中该装置设计成在考虑所述至少一个传感器的测量结果的情况下来匹配热电结构元件的功率和/或高压电源的功率。通过调节高压电源的功率，可控制在介质阻挡放电中的放电功率。通过调节热电结构元件的功率，可控制装置的传热功率。

42、电极可是单独可更换的，和/或热电结构元件可是单独可更换的。在单独更换的情况下，无需更换装置的其他组成部分。与之相应地，电极和/或热电结构元件可独立于高压电源而替换。由于等离子体产生，电极和热电结构元件典型地遭受老化迹象和磨损。

43、另一方面涉及一种具有上文描述的装置的设备。该设备可是冰箱、冷却箱、空调器、冷却设备、消毒设备、干衣机、用于包装的设备、来自食品工艺的设备、用于房间净化的设备、用于纺织品中的寄生虫克制的设备、废物收集器或小型消毒器。

44、当在其中可存储易腐物品的冷却箱、冰箱或冷却设备中使用该装置时，由冷却和介质阻挡放电形成的组合是特别有利的。通过在介质阻挡放电中产生起氧化作用的物质可抑制不期望的微生物过程，例如腐烂、霉菌形成、微膜(mikrofilmen)的形成或难闻气味的形成。对于减少气味而言，在热电结构元件的冷表面上的冷凝非常有效，因为如此与水共同冷凝出的有机分子同样在第二步中通过介质阻挡放电有效分解，而不产生过量的臭氧。通过面放电，放电区域中的整个表面可保持无菌。

45、对于在医学中的应用，该装置在给定体积内提供大于10000ppm的高臭氧浓度，从而实现了带有低设备耗费的高效的灭菌过程。

46、另一方面涉及一种用于利用上文描述的装置产生介质阻挡放电的方法，其中由高压电源在热电结构元件和电极之间产生高电压，并且在间隙中点燃介质阻挡放电。

47、在下面描述了有利的方面。为了简化参考，方面被连续编号。所述方面的特征不仅与其所涉及的特定方面组合地而且单独考虑地是重要的。

48、1.一种用于产生介质阻挡放电的装置，具有

49、帕尔贴元件，

50、电极，其与所述帕尔贴元件相对而置地布置，和

51、高压电源，其设计成用于在所述帕尔贴元件和所述电极之间产生高电压，该高电压足以点燃所述介质阻挡放电。

52、2.根据方面1所述的装置，

53、其中，所述帕尔贴元件具有两个或更多个半导体元件，其彼此平行布置，

54、其中，所述帕尔贴元件具有金属桥，所述金属桥蜿蜒状地连接半导体元件，其中，两个彼此相邻的半导体元件在其上侧处或在其下侧处通过金属桥彼此连接，且

55、其中，所述帕尔贴元件具有陶瓷板，其覆盖所述金属桥。

56、3.根据方面2所述的装置，

57、其中，所述帕尔贴元件具有弱导电层，其布置在朝向所述电极指向的陶瓷板和所述金属桥之间。

58、4.根据方面3所述的装置，

59、其中，所述弱导电层具有电阻，其至少为所述半导体元件经由所述金属桥的蜿蜒状连接的电阻的100倍。

60、5.根据前述方面中任一项所述的装置，

61、其中，所述高压电源设计成用于将高电压交变电势施加到电极处，且

62、其中，所述装置具有直流电压电源，其设计成用于将低直流电压施加到所述帕尔贴元件处。

63、6.根据前述方面中任一项所述的装置，

64、其中，所述装置设计成用于点燃作为在所述帕尔贴元件和所述电极之间的体积放电的介质阻挡放电。

65、7.根据方面1至4中任一项所述的装置，

66、其中，所述帕尔贴元件在朝向所述电极指向的表面处具有金属化物，

67、其中，所述高压电源设计成用于将高电压电势施加到所述帕尔贴元件处。

68、8.根据方面7所述的装置，

69、其中，所述装置设计成用于点燃作为在所述金属化物处的表面放电的介质阻挡放电。

70、9.根据前述方面中任一项所述的装置，

71、其中，所述帕尔贴元件设计成用于冷却工艺气体或加热工艺气体，且/或

72、其中，所述帕尔贴元件设计成用于在运行循环中连续地改变工艺气体的温度。

73、10.根据前述方面中任一项所述的装置，

74、其中，所述电极和/或所述帕尔贴元件被施覆有玻璃状的层。

75、11.根据前述方面中任一项所述的装置，

76、其中，所述帕尔贴元件的面积大于所述电极的面积.

77、12.根据前述方面中任一项所述的装置。

78、其中，所述装置具有操控器，其设计成用于在冷却运行中运行所述装置，在该冷却运行中不触发介质阻挡放电且所述装置的表面被冷却到低于工艺气体的露点，从而在所述表面上通过冷凝产生水膜，且所述装置紧接着在放电运行中运行，在该放电运行中在所述水膜上产生所述介质阻挡放电。

79、13.根据前述方面中任一项所述的装置。

80、其中，所述装置设计成用于在加热运行中运行，在该加热运行中不触发介质阻挡放电且所述装置的表面加热到大于100℃的温度。

81、14.根据前述方面中任一项所述的装置。

82、其中，所述装置具有由温度传感器、臭氧传感器和湿度传感器中选出的至少一个传感器，且

83、其中，所述装置设计成用于在考虑所述至少一个传感器的测量结果的情况下匹配所述帕尔贴元件的功率和/或所述高压电源的功率。

84、15.一种设备，具有根据前述方面中任一项所述的装置，

85、其中，该设备是冰箱、冷却箱、空调器、冷却设备、消毒设备、干衣机、用于包装的设备、来自食品工艺的设备、用于房间净化的设备、用于纺织品中的寄生虫克制的设备、废物收集器或小型消毒器。

86、16.一种用于利用根据方面1至14中任一项所述的装置产生介质阻挡放电的方法，其中由所述高压电源在所述帕尔贴元件和所述电极之间产生高电压且点燃介质阻挡放电。