Elektromechanischer Wandler und Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers nach den Ansprüchen 1 bis 14, die Verwendung eines solchen Verfahrens nach den Ansprüchen 15 bis 17, sowie einen elektromechanischen Wandler zur Verwendung in einem solchen Verfahren nach den Ansprüchen 18 bis 20.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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. [0011] 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.

[0012] 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.

[0013] Bei beiden vorher beschriebenen alternativen Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Wandlers kann es von Vorteil sein, dass der Schritt des Bereitstellens eines elektromechanischen Wandlers weiterhin beinhaltet, dass das Masseelement mit einem Basisabschnitt versehen ist, an welchem der sich von diesem weg erstreckende Schwingabschnitt angeordnet ist, und wobei der Basisabschnitt ein größeres Volumen oder eine größere Masse aufweist als der Schwingabschnitt. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass der Basisabschnitt quaderförmig ausgebildet und der Schwingabschnitt als plattenförmiger Abschnitt vorgesehen ist, und der plattenförmige Abschnitt vorzugsweise unsymmetrisch bezüglich des Basisabschnitts angeordnet ist, um dadurch die Ausbildung von effektiveren Biegewellen in dem plattenförmigen Abschnitt zu begünstigen.

[0014] Ganz generell kann durch die Gestaltung bzw. Ausführung der

Masseabschnitte bzw. des Masseelements oder der Masseelemente 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 Deformationswellen in dem Schwingabschnitt des Masseelements führen. Insbesondere kann es von Vorteil sein, dass der Basisabschnitt des Masseelements einen konvex geformten Abschnitt aufweist oder aus einem solchen gebildet ist, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn der konvex geformte Abschnitt in Richtung auf den Schwingabschnitt zu weist.

[0015] Bezüglich des Schritts des Bereitstellens eines elektromechanischen

Wandlers kann es ebenfalls von Vorteil sein, dass der Schwingabschnitt einstückig oder integral mit dem Masseelement bzw. dem Basisabschnitt ausgebildet ist.

[0016] Daneben kann es bezüglich des Schritts des Bereitstellens eines elektromechanischen Wandlers von Vorteil sein, dass das Masseelement zumindest abschnittsweise eine Zylinder- oder Hohlzylinderform aufweist.

[0017] Ferner kann es hinsichtlich des Schritts des Bereitstellens eines elektromechanischen Wandlers von Vorteil sein, dass dieser einen durchgehenden Hohlraum bzw. eine Durchgangsbohrung zur vorzugsweise durch Pumpen forcierten Durchleitung eines Mediums aufweist, wobei in den Hohlraum wenigstens ein Düsenelement eingesetzt ist, und das Düsenelement eine Einlassöffnung zum Eintritt des Mediums in das Düsenelement und eine gegenüber der Einlassöffnung kleinere Auslassöffnung zum Austritt des Mediums aus dem Düsenelement aufweist. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass eine Vielzahl von Düsenelementen so in den Hohlraum eingesetzt ist, dass bei jeweils zwei zueinander benachbarten Düsenelementen die Einlassseite eines Düsenelements der Auslassseite des anderen Düsenelements gegenüberliegt. [0018] Die in dem durchgehenden Hohlraum des elektromechanischen Wandlers eingesetzten Düsenelemente, welche vorzugsweise im Bereich des Schwingabschnitts und besonders bevorzugt in einem Endbereich des Schwingabschnitts angeordnet sind, haben die Wirkung eines entlang einer Richtung durchlässigen Ventils (Einweg-Ventil). Bei Generierung von Längswellen in dem Schwingabschnitt, d.h. bei wiederkehrender und sich abwechselnder Expansion und Kontraktion des Schwingabschnitts entlang dessen Längsausrichtung, entstehen innerhalb eines Mediums, das durch den Hohlraum des elektromechanischen Wandlers hindurchgeleitet bzw. hindurchgepumpt wird, extreme Druckschwankungen, so dass sich etwa im Falle eines flüssigen Mediums Blasen bilden können, die nur kurzzeitig bestehen und dann wieder zerfallen bzw. kollabieren. Durch den Zerfall der Blasen steigt die Temperatur des durch den Hohlraum des elektromechanischen Wandlers durchgeleiteten Mediums stark an, wobei der Temperaturanstieg das flüssige Medium zumindest teilweise in die Dampfphase überführt. Der so generierte Dampf wird durch die Form und Anordnung der Düsenelemente in Richtung des Endabschnitts des Schwingabschnitts gelenkt, wo der durchgehende Hohlraum bzw. die Durchgangsbohrung endet und dort eine Austrittsöffnung bildet, wobei die Dampfmoleküle mit wiederholtem Passieren der einzelnen Düsenelemente eine stetige Beschleunigung erfahren, so dass sie schließlich mit sehr hoher Geschwindigkeit die Austrittsöffnung des Schwingabschnitts verlassen. Die hohe Temperatur bzw. hohe Energie der Dampfmoleküle begünstigt beispielsweise die Wasserstoffherstellung im Falle, dass das flüssige Medium aus Wasser besteht.

[0019] Ebenso kann es hinsichtlich des Schritts des Bereitstellens eines elektromechanischen Wandlers von Vorteil sein, dass zwischen einer Schicht elektromechanischen Materials 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.

[0020] Ferner kann es hinsichtlich des Schritts des Bereitstellens eines elektromechanischen Wandlers 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.

[0021] Außerdem kann es hinsichtlich des Bereitstellens des elektromechanischen Wandlers 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 Wandlerabschnitt direkt aneinander angrenzen und gegensinnige Polarisationsrichtungen aufweisen und die Schichten elektromechanischen Materials des elektrischen Wandlerabschnitts nicht direkt aneinander angrenzen und gleichsinnige Polarisationsrichtungen aufweisen.

[0022] 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.

[0023] 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 Sauerstoff- Versorgung von Tauchern.

[0024] Zudem betrifft die Erfindung einen elektromechanischen Wandler zur

Verwendung in einem vorstehend beschriebenen Verfahren mit zumindest einem ersten Masseabschnitt und einem zweiten Masseabschnitt, wobei wenigstens einer der Masseabschnitte ein Masseelement mit einem freien 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, und der elektromechanische Wandler einen durchgehenden Hohlraum zur Durchleitung eines Mediums aufweist, wobei in den Hohlraum wenigstens ein Düsenelement mit sich verjüngendem Querschnitt eingesetzt ist.

[0025] Hierbei ist besonders bevorzugt, dass das wenigstens eine Düsenelement eine Einlassöffnung zum Eintritt des Mediums in das Düsenelement und eine gegenüber der Einlassöffnung kleinere Auslassöffnung zum Austritt des Mediums aus dem Düsenelement aufweist. Im Falle der Verwendung einer Vielzahl von in den Hohlraum des elektromechanischen Wandlers eingesetzten Düsenelementen kann es hierbei von Vorteil sein, dass bei jeweils zwei zueinander benachbarten Düsenelementen die Einlassöffnung eines Düsenelements der Auslassöffnung des anderen Düsenelements gegenüberliegt.

[0026] 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.

[0027] 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.

[0028] 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.

[0029] 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.

[0030] 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

[0031 ] Fig.1 : perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren [0032] Fig.2: perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren

[0033] Fig.3: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen

Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach Fig. 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens [0034] Fig. 4: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einerweiteren möglichen Ansteuerungs- bzw. Betriebsart von zwei elektromechanischen Wandlern nach Fig. 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Verwendung zur Elektrolyse von Wasser [0035] Fig. 5: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen

Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach Fig. 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens [0036] Fig. 6: perspektivische Ansicht einerweiteren Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren

[0037] Fig. 7: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen

Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach Fig. 6 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens [0038] Fig. 8a): Weitere Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers; Figs. 8b), c): Details von Fig. 8a)

[0039] Fig. 9a)-c): Unterschiedliche Ansichten eines Düsenelementes des elektromechanischen Wandlers nach Fig.8 [0040] Fig. 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 und volumen- bzw. massemäßig größeren Basisabschnitt 44 und einem damit einstückig ausgebildeten freien und volumen- bzw. massemäßig kleineren 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.

[0041] 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 Fig. 1 unteren) Masseabschnitt 2 benachbarten Schichten 5 als mechanischer Wandlerabschnitt 6 und die beiden zu dem zweiten (in Fig.

1 oberen) Masseabschnitt 3 benachbarten Schichten 5 als elektrischer Wandlerabschnitt 7 vorgesehen sind.

[0042] Jede der im Wesentlichen rechteckig geformten Schichten 5 ist auf beiden flächenmäßig größten Flauptflächen 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.

[0043] 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.

[0044] Fig. 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.

[0045] An die in Fig. 2 rechte Schicht 5 des Wandlerabschnitts 7 grenzt der erste Masseabschnitt 2 mit einer hohlzylinderförmigen Geometrie an, während an die in Fig. 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 Florn bildendes Masseelement 4 ausgebildet, welches eine im Wesentlichen zylinderförmige Geometrie aufweist.

[0046] Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen

Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach Fig. 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.

[0047] 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.

[0048] Fig. 4 zeigt die Verwendung von einem Paar gemäß Fig. 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.

[0049] Die applizierten elektrischen Wechselspannungen sind offset bezüglich ihrer positiven und negativen Polarität. Entsprechend ist an den in Fig. 4 linken elektromechanischen Wandler 1 eine elektrische Spannung Vi+(Vi) cos (wi t) angelegt, während an den in Fig. 4 rechten elektromechanischen Wandler 1 eine elektrische Spannung -(V2)+(V2) cos (u)21) angelegt ist. Gleichzeitig sind die beiden Gleichspannungen Vi und -(V2) unterschiedlicher Polarität an dem entsprechenden Masseelement 4 mittels dessen Anschlusselektrode 41 angelegt, so dass das Masseelement 4 des in Fig. 4 linken elektromechanischen Wandlers 1 die Anode und das Masseelement 4 des in Fig. 4 rechten elektromechanischen Wandlers 1 die Kathode bildet.

[0050] Im Resultat variiert die an der Anode anliegende Spannung zwischen 0V und 2(Vi) bei einer Frequenz von wi = 2p fi, während die an der Kathode anliegende Spannung zwischen 0V und -2(V ₂ ) bei einer Frequenz von 002 = 2p f2 variiert.

[0051] Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen

Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach Fig. 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist an den in Fig. 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 Fig. 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.

[0052] 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.

[0053] Fig. 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 Figuren 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.

[0054] 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.

[0055] 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.

[0056] Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen

Ansteuerungs- bzw. Betriebsart des elektromechanischen Wandlers nach Fig. 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.

[0057] Fig. 8a) zeigt in einer Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform für einen elektromechanischen Wandler 1 zur Verwendung für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Zwischen dem ersten Masseabschnitt 2 in Form einer Scheibe mit einer zentralen Bohrung und dem zweiten Masseabschnitt 3 sind zwei Schichten 5 elektromechanischen Materials angeordnet. Der zweite Masseabschnitt 3 umfasst das Masseelement 4, welches einen konvex- oder kuppelförmigen und volumen- bzw. massemäßig größeren Basisabschnitt 44 und einen sich daran anschließenden und volumen- bzw. massemäßig kleineren Schwingabschnitt 42 im Wesentlichen in Form eines Hohlzylinders aufweist. Hierbei ist der Schwingabschnitt 42 einstückig oder integral mit dem Basisabschnitt 44 ausgebildet, so dass ein Ende des Schwingabschnitts 42 fest mit dem Basisabschnitt 44 verbunden ist, während das andere und gegenüberliegende Ende frei ist bzw. frei endet.

[0058] Der zweite Masseabschnitt 2 bzw. das diesen bildende Masseelement 4 ist mit einem durchgehenden Hohlraum bzw. einer Durchgangsbohrung 48 versehen, die von einem Ende des elektromechanischen Wandlers 1 bis zu dessen anderem und gegenüberliegendem Ende reicht und welche der Durchleitung eines Mediums, insbesondere eines flüssigen Mediums, bevorzugt forciert durch einen Pumpvorgang, dient. In einem Bereich des Hohlraums 48, der sich innerhalb des Schwingabschnitts 42 befindet, ist eine Vielzahl von Düsenelementen 10 in sich gegenseitig kontaktierender Weise und somit als Paket angeordnet, wobei sich dieses Paket von Düsenelementen 10 an einem durch eine Querschnittsreduzierung gebildeten Absatz des Hohlraums 48, der im Bereich des freien Endes des Schwingabschnitts 42 vorliegt, abstützt. Der Schwingabschnitt weist im Bereich seines freien Endes einen Abschnitt mit einem gegenüber dem restlichen Teil des Schwingabschnitts vergrößerten Durchmesser auf und bildet dadurch einen Kragenabschnitt 49. Innerhalb des Bereichs des Kragenabschnitts 49 befindet sich der Absatz des Hohlraums. An den Absatz schließt sich ein Bereich des Hohlraums 48 mit einem verringerten Querschnitt an, welcher bis zum Ende des Schwingabschnitts 42 reicht und dort eine Austrittsöffnung des Hohlraums 48 bildet.

[0059] Wie insbesondere anhand Fig. 8c) zu erkennen, ist jedes der

Düsenelemente 10 identisch ausgebildet, wobei (siehe insbesondere Fig. 9) auf einer Seite des jeweiligen Düsenelements 10 eine Einlassöffnung 10-2, und auf der anderen und gegenüberliegenden Seite eine gegenüber der Einlassöffnung 10-2 kleinere Auslassöffnung 10-4 vorgesehen ist, wobei sich der Durchmesser von der Einlassöffnung 10-2 hin zur Auslassöffnung 10-4 kontinuierlich verkleinert.

[0060] Die Düsenelemente 10 sind so zueinander angeordnet, dass bezüglich jeweils zwei benachbarter und sich gegenseitig kontaktierender Düsenelemente 10 die Auslassöffnung 10-4 eines Düsenelement der Einlassöffnung 10-2 des anderen Düsenelements gegenüberliegend angeordnet ist. Somit weisen alle Einlassöffnungen 10-2 in eine erste Richtung (nämlich auf den Basisabschnitt 44 zu), während alle Auslassöffnungen 10-4 in eine zweite und zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung weisen (nämlich in Richtung des freien Endes des Schwingabschnitts 42).

[0061] Die Figs. 9a)-c) zeigen im Detail ein einzelnes Düsenelement 10 des Pakets von Düsenelementen 10 gemäß Fig. 8 in unterschiedlichen Ansichten. Es ist klar erkennbar, dass die Einlassöffnung 10-2 einen wesentlichen größeren Durchmesser aufweist als die Auslassöffnung 10- 4, wobei sich der Durchmesser von der Einlassöffnung 10-2 hin zur Auslassöffnung 10-4 kontinuierlich verkleinert, und sich die Öffnung in entsprechender Weise kontinuierlich von der Einlassöffnung 10-2 hin zur Auslassöffnung 10-4 verjüngt.

[0062] 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

10: Düsenelement

10-2: Einlassöffnung (des Düsenelements 10)

10-4: Auslassöffnung (des Düsenelements 10)

41 : Anschlusselektrode (des Masseelements 4) : freier Schwingabschnitt (des Masseelements 4): Basisabschnitt (des Masseelements 4) : plattenförmiger Abschnitt (des Masseelements 4): Hohlraum (des Masseelements 4) : Kragenabschnitt (des Masseelements 4) : Elektrode 2: elektrische Gleichspannungsquelle 4: elektrische Wechselspannungsquelle 6: Gleichrichter 0: Behälter 0: Flüssigkeit (die Elektrolyse unterzogen wird)