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Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung eines sauerstoffhältigen Gases mit elektrischer Energie zur Änderung der Molekularzustände in dem Gas
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bei der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises etwa 900 beträgt.
Gemäss einer Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der
Impulsmodulator für die Energiezufuhr zum Resonanzkreis ein Impulsgenerator ist, dessen Impulse den
Resonanzkreis zu gedämpften Schwingungen anstossen, wobei diese Schwingungen mit der
Resonanzfrequenz des Resonanzkreises erfolgen, und die Energie der Schwingungen nach und nach ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden aufbaut, das im Strömungsweg des Gases wirksam ist und dadurch eine Änderung im Molekularzustand des Gases herbeiführt.
Hiebei ist zweckmässig die
Massnahme getroffen, dass der Impulsmodulator ein impulsformendes Netzwerk aufweist, das mit der
Primärwicklung des Transformators verbunden ist, und eine Schalteinrichtung zur Entladung des impulsformenden Netzwerkes sowie eine Ladeeinrichtung für die Aufladung des impulsformenden
Netzwerkes besitzt, wobei die Ladeeinrichtung ihrerseits eine Gleichstromquelle und eine Impedanz mit induktivem Charakter aufweist, die mit dem Primärkreis zur Modulation der Impulse verbunden ist.
Vorteilhaft ist hiebei die Schalteinrichtung als steuerbarer Siliziumgleichrichter ausgebildet. Die
Impedanz ist zweckmässig eine Ladedrossel.
Das erfindungsgemässe Verfahren eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung in einem aus aufeinanderfolgenden Schwingungszügen bestehenden Wechselfeld, das von Energieimpulsen jeweils erregt wird und dessen Amplitude zwischen diesen Impulsen nach und nach abfällt, vorgenommen wird.
Auf den Elektroden der Behandlungseinrichtung einer erfindungsgemässen Vorrichtung, die Teile eines Parallelresonanzkreises hoher Resonanzfrequenz sind, entstehen hohe elektrostatische Aufladungen, wobei diese Elektroden so angeordnet sind, dass sie den Weg für die Luft, aus der Ozon gebildet werden soll, bilden. Der Resonanzkreis wird von einer Folge von Energieimpulsen angestossen, die von einem Impulsmodulator, der vorzugsweise einen gesteuerten Siliziumgleichrichter enthält, geliefert werden. Die Luft wird durch geeignete Vorrichtungen über bzw. zwischen den Platten des Kondensators geführt, z. B. durch Verbinden des Auslassrohres bzw. der Ozon führenden Leitung mit der Ansaugseite der Zirkulationspumpe für das Schwimmbecken.
Ein System letzterer Art arbeitet mit Unterdruck, so dass kein Ozon aus den Leitungen entweichen kann.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine schematische Ansicht der Ozonerzeugungsanlage nach der Erfindung, Fig. 2 einen vergrösserten Querschnitt gemäss der Linie II-11 in Fig. 1, Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltschema des Speise-und Resonanzkreises einer erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 4 ein detailliertes Schaltschema einer solchen Vorrichtung und schliesslich Fig. 5 den den Entladungskreis des Speicherkondensators einer erfindungsgemässen Vorrichtung betreffenden Teil des Schaltschemas, wobei bei der betreffenden Vorrichtung eine Regelung der Entladungsfrequenz des Speicherkondensators vorgesehen ist.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung nach der Erfindung zum Sterilisieren eines Schwimmbeckens --P-- dargestellt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Ozongenerator--10--, der eine Luftzufuhrleitung--11--und eine Abführungsleitung--12--für den Ozon besitzt. Ein Ventil --13-- regelt die Zufuhr des Ozons vom Generator und ist über ein Zuführungsrohr --14--, das
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werden sollte, wird Aussenluft in die Leitungen eingesaugt, so dass kein Ozon entweichen kann.
Diese Beschreibung der Erfindung an Hand eines Ozongenerators zum Sterilisieren eines Schwimmbeckens ist als Beispiel anzusehen, das die Anwendung der Erfindung nicht beschränkt. Viele andere Anwendungen, bei denen Ozon in grossen Mengen nützlich ist und vorteilhaft angewendet wird, sind möglich, wie z. B. Geruchlosmachen von Abwässern, rasche Oxydation bei industriellen chemischen Prozessen, Reinigen von Behältern und Maschinen und Einrichtungen in der Lebensmittel-und pharmazeutischen Industrie usw.
Die Anlage wird durch eine elektrische Energiequelle--S--gespeist, die vorzugsweise ein Wechselstromspeisenetz mit z. B. 115 V und 60 Perioden ist. Ein Zeitschalter in der Zuleitung--21-bestimmt die Häufigkeit und Dauer jener Zeitabschnitte, während welcher der Pumpenmotor--23-und der Ozongenerator--10--gleichzeitig eingeschaltet sind. Der Generator--10--arbeitet nur, wenn auch der Pumpenmotor eingeschaltet ist. Der Ozongenerator besteht aus einer Oszillatorschaltung
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gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Jeder Kondensator besteht, wie aus Fig. 2 ersichtlich, aus einem röhrenförmigen äusseren Leiter --29-- und einem inneren stangenförmigen Leiter--30--, zwischen denen sich die längliche,
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--31-- befindet.Siebplatte --33-- und weiter durch den Deckel--34--, der vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material besteht, befestigt. Mittels Rohrverbindungen--36--an einem Ende des äusseren Leiterrohres sind deren linke Enden, wie aus den Zeichnungen ersichtlich, am Luftzuführungsrohr --11-- bzw. am Ozonauslassrohr--12--befestigt. Die ringförmigen Kammern
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der beiden Kondensatoren durchströmt.
Die äusseren Leiter--29--beider Kondensatoren sind durch die Leitung--40--und die inneren Leiter --30-- sind durch die Leitung --41-- mit der Schaltung --25-- verbunden. Die Luft in den beiden Kammern --31-- bildet mit der Isolationsschicht --32-- das Dielektrikum für die Kondensatoren, und die Leiter-29 und 30-stellen die Kondensatorplatten dar. In der Praxis sind die äusseren Leiter aus Sicherheitsgründen geerdet und die unzugänglichen inneren Leiter --30-sind mit dem Hochspannung führenden Anschluss der Schaltung--25--verbunden.
Die Kondensatoren--26 und 27--bilden, wie in Fig. 3 dargestellt ist, den Kondensator eines
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Abmessungen der äusseren Leiter--29--, der inneren Leiter--30--und der Isolation--32--der Kondensatorelemente, von denen in Fig. 3 zur Vereinfachung nur ein Element dargestellt ist, sind so festgelegt, dass deren kapazitiver Widerstand, wenn sie mit Luft gefüllt sind, im wesentlichen gleich ist dem induktiven Widerstand der Induktivität --45-- bei einer bestimmten (Resonanz) Frequenz. Dieser Schwingkreis wird durch Energieimpulse, die an der Primärwicklung --47-- durch die Entladung des geladenen Kondensators --49-- erzeugt werden, erregt.
Um eine übersichtliche Darstellung zu erhalten, ist dabei der Erregerkreis einfach als Speicherkondensator--49--, der über einen Widerstand --50-- von der Batterie --51-- aufgeladen wird, wenn der Schalter-52geschlossen und der Schalter --53-- geöffnet ist, und der momentan über die Primärwicklung des Transformators entladen wird, wenn der Schalter --53-- geschlossen ist, dargestellt. Der Lade-bzw.
Erregerkreis und die Wicklung --45-- des Schwingkreises bilden dabei die in Fig. 1 mit--25-- bezeichnete Schaltung.
Die in der Wicklung--45--induzierte Spannung ist durch die grössere Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung hochtransformiert. Die rasche Veränderung des die Primärwicklung--47-- durchfliessenden Stromes stösst den Schwingkreis zu Schwingungen grosser Amplitude und hoher Frequenz an. Da der induktive Widerstand der Wicklung--45--und der gesamte kapazitive Widerstand der Kondensatoren--26 und 27--einander gleich sind, oszilliert die Energie zwischen dem elektromagnetischen Feld der Induktivität und dem elektrostatischen Feld der Kapazität mit einem Minimum an Stromverlust, wobei diese Schwingung nach Abklingen des Erregerstosses fortdauert.
Wenn Luft durch die Kondensatoren strömt, wirkt das starke elektrostatische Feld, das sich nach und nach in den ringförmigen Kammern--31--aufgebaut hat, auf den Sauerstoff der sich in den Kammern befindlichen Luft ein und bewirkt schliesslich dessen Umwandlung in Ozon. Das Gas, das
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dessen Sterilisation gepumpt wird, vermischt.
Die Schalter-52 und 53-zur Auf-oder Entladung des Speicherkondensators--49können mechanisch oder elektronisch ausgebildet sein. Bei praktisch ausgeführten Anlagen wurde eine Induktivität vorgesehen, die die Rolle des Schalters --52-- übernimmt, und zur Steuerung des Arbeitens einer Halbleitervorrichtung, die als Schalter --53-- wirkt, eine Gasentladungsröhre vorgesehen. Als Quelle für den Ladestrom, die in Fig. 3 als Batterie dargestellt ist, wird vorzugsweise eine Wechselstromquelle in Verbindung mit einem Gleichrichter verwendet.
Wenn der Anlage Energie zugeführt wird, erfolgt die Ladung und Entladung des Kondensators
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--49-- vorzugsweise kontinuierlich in der Art eines Relaxationsoszillators. Die Folgefrequenz der
Kondensatorentladung kann durch die Wahl der Schaltungsparameter so eingestellt werden, dass der Schwingungskreis --44-- in einem bestimmten Masse erregt wird, das vom Verbrauch des gebildeten
Ozons abhängt, oder sie kann auch variabel sein und zur Anpassung der erzeugten Ozonmenge an den jeweiligen Bedarf gesteuert oder eingestellt werden.
Während der Ladezeit des Kondensators--49-- schwingt der Schwingkreis--44--in der Art eines Pendels weiter und die Energie, die in den
Schwingkreis eingekoppelt wird, oszilliert zwischen dem elektromagnetischen Feld der Induktivität - und dem elektrostatischen Feld der Kondensatoren--26 und 27--mit in einer
Resonanzfrequenz, die durch den induktiven und den kapazitiven Widerstand dieser Elemente bestimmt ist. Der Energieübergang von den Kondensatoren auf das Dielektrikum Luft wird so durch den
Resonanzkreis bei hoher Frequenz aufrechterhalten.
Der hohe Wirkungsgrad der Umsetzung von Luft in Ozon ist zu einem wesentlichen Teil der Verwendung eines Schwingkreises zuzuschreiben, der ohne den üblichen Leistungsverlust arbeitet, wie er durch den niedrigen Leistungsfaktor auftritt, der im allgemeinen in mit Blindstrom behafteten Kreisen vorliegt. Da der induktive Widerstand der Transformatorsekundärwicklung --45-- dem kapazitiven
Widerstand der Ozon erzeugenden Kondensatoren--26 und 27--gleich ist, sind die Phasen der
Strom-und Spannungskomponenten der Energie im Schwingkreis im Idealfall um 900 gegeneinander verschoben und es tritt kein wesentlicher Energieverlust in den Kondensatoren auf. In der Praxis beträgt die Phasenverschiebung 860.
Die Verminderung des Energieverlustes in den Kondensatoren erhält nicht nur Energie, sondern bringt als weiteren grossen Vorteil eine proportionale Verringerung der
Erwärmung des Gases, wodurch die von der Temperatur abhängige Stabilität des Ozons verbessert und die Anwendung von Hilfsvorrichtungen zur Kühlung des Generators kaum erforderlich oder gar nicht notwendig wird. Ozon zerfällt nämlich bei erhöhten Temperaturen in Sauerstoff, so dass die Herstellung von Ozon ohne Wärme den zusätzlichen Vorteil hat, dass das Endprodukt vor Zersetzung bewahrt wird.
Es wird angenommen, dass das elektrische Feld, welchem der Sauerstoff während des
Durchströmens durch die Kondensatoren--26 und 27--ausgesetzt ist, das Gas in den ionisierten oder Plasmazustand durch die Trennung der Elektronen von den Kernen versetzt. Diese Dissoziation der
Gasmoleküle ist ein Kernphänomen und tritt auf, wenn das elektrische Feld, das auf das Gas einwirkt, einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Geschwindigkeit, mit der der hochfrequente elektrische Strom in den Kondensatorelementen seinen Wert ändert, bewirkt die molekulare
Dissoziation des Sauerstoffes und führt die Plasmabildung in den Kondensatoren herbei.
Wenn das
Plasma aus dem ringförmigen Raum des Kondensators -27-- austritt, wirkt plötzlich kein elektrisches Feld mehr auf das Plasma ein, was eine teilweise Rückkehr der Kerne und der Elektronen in ihre Ausgangsstellungen bewirkt und zur Bildung von Ozon führt. Die Hinauftransformierung der
Spannung durch den Transformator --46-- bewirkt eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke über den Plasma bildenden Schwellenwert.
In Fig. 4 ist ein detailliertes Schaltschema des Lade-und des Resonanzkreises einer erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt. Eine Wechselstromquelle--S--mit einer Spannung von z. B. 115 V und einer Frequenz von z. B. 60 Hz ist über eine Sicherung mit einer Halbwellenspannungsverdopplerschaltung--56--verbunden, die auch einen Spannungsbegrenzer --57-- zur Unterdrückung von Spannungsspitzen, der im Nebenschluss zwischen den stromführenden Leitungen liegt,
und Kondensatoren-58 und 59-sowie in Serie geschaltete Dioden-60 und 61-aufweist. Die Kondensatoren--58 und 59-werden während aufeinanderfolgender Halbwellen über die Dioden von der Stromquelle aufgeladen und es entsteht eine positive Spannung bei dem Anschlusspunkt--B--. Von dieser Gleichspannung wird der Kondensator --49'-- über die Diode --62-- und die Ladedrossel-63--, die einen Teil des Ladekreises des Kondensators-49'-
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--49'-- entsprichtKondensator--49'--und die Wicklung--47'--nach Masse führenden Stromkreis tritt dabei während der Ladung des Kondensators ein Einschwingvorgang auf, durch den die Spannung am Kondensator etwa den doppelten Wert der Spannung am Anschlusspunkt-B-annimmt,
und es wird durch die Diode--62--ein Absinken der Spannung am Kondensator--49'--verhindert.
Die Entladung des Kondensators--49'--durch die Primärwicklung --47'-- wird durch einen diesen Schaltgliedern parallel liegenden Schalter--66--gesteuert, der vorzugsweise als gesteuerter Siliziumgleichrichter, dessen Wirkungsweise der eines Thyratrons entspricht, ausgebildet ist, wobei in Reihe zum Schalter--66--ein Widerstand--67--liegt, der vom einen Anschluss der Hauptstromstrecke des Schalters --66-- zum Verbindungspunkt des Kondensators--49'--mit der
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Ladedrossel--63--führt. Der andere Anschluss --66a-- der Hauptstromstrecke des Schalters --66-- ist mit dem dem Kondensator --49'-- gegenüberliegenden Ende der Primärwicklung --47'-- verbunden.
Der Steuerelektrode--66b--des Schalters--66--wird ein Auslösungssignal
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h.Kondensator--49'--entladen wird, wird daher durch die Frequenz der Auslösesignale, die der Steuerelektrode--66b--zugeführt werden, gesteuert. Die Wirkung der Induktivität --63-- trennt während der Entladung des Kondensators--49'--diesen vom Anschlusspunkt--B--. Wenn der Kondensator --49'-- entladen wird, sinkt die Spannung an ihm und am Schalter --66-- unter das Schwellenwertpotential, das erforderlich ist, um den Schalter--66--im leitenden Zustand zu halten, der Schalter kommt in den nichtleitenden Zustand und der Kondensator--49'--wird wieder aufgeladen.
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dementsprechend kann durch Einstellung der der Steuerelektrode--66b--zugeführten Frequenz der Auslösesignale die Menge des erzeugten Ozons verändert werden. Die Frequenz der der Steuerelektrode zuzuführenden Auslösesignale ist sohin durch die Menge des zu erzeugenden Ozons bestimmt ; sie kann variiert werden, wenn die benötigte Ozonmenge variiert, sie kann aber auch konstant gehalten werden, wenn die benötigte Ozonmenge gleich bleibt.
In Fig. 4 ist ein Auslösegenerator --68-- mit festeingestellter Frequenz dargestellt. Dieser Generator enthält eine Glimmröhre --70-- als Kippdiode, deren Anode--70a--über die Widerstände --72 und 73-und die Leitung --74-- mit dem positiven Anschluss des Speicherkondensators--49'--verbunden ist, während die Kathode--70b--über die Widerstände - 75 und 76-mit dem Massepotential verbunden ist. Ein Kondensator-77--, der von der Anode --70a-- nach Masse führt, bildet zusammen mit dem Widerstand --72-- und der Kippdiode --70-- einen Relaxationsoszillator, der die Folgefrequenz, mit der der Kondensator--49'--durch den Schalter --66-- entladen wird, festlegt.
Eine Diode--78--, die zwischen Massepotential und der Verbindungsstelle der Widerstände--72 und 73--eingefügt ist, schützt den Schalter--66-- vor einem Stromfluss in Umkehrrichtung, infolge der durch die Induktivität der Primärwicklung --47'-- bedingten Stromrichtungsumkehr am Ende der Entladung des Kondensators--49'--. Die Steuerelektrode--66b--des Schalters--66--ist an den Verbindungspunkt der Widerstände--75 und 76--angeschlossen. Wenn sich der Kondensator --49'-- auflädt, wirkt die in ihm ansteigende positive Spannung über die Leitung--74--so lange auf die Kippdiode --70--, bis das Zünd-oder Durchschlagspotential erreicht ist und die Neonröhre zündet.
Der Stromimpuls durch die Kippdiode
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--49'-- über--47'-- auftritt. Wenn die Spannung im Kondensator--49'--unter das Spannungsniveau absinkt, welches die Stromführung im Schalter--66--aufrechterhält, wird dieser nichtleitend, d. h. das Halbleiterventil sperrt, und der Ladezyklus beginnt von neuem.
Der Stromimpuls in der Primärwicklung--47'--, infolge der Entladung des Kondensators - -49'--, erregt in der Sekundärwicklung --45'-- des Transformators eine sinusartige Schwingung hoher Spannung und der Schwingungskreis-44'--, der aus der Wicklung--45'--und den Kondensatoren --26' und 27'-- besteht, wird angestossen.
Eine abgewandelte Form einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt, hiebei ist die Steuerelektrode--66b--des Halbleiterventils--66--mit einem Auslösesignalgenerator - einstellbarer Frequenz verbunden. Die Frequenz der vom Generator--80--abgegebenen
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reinigende Flüssigkeit strömt, einen Strömungsmesser-82--, der die durchfliessende Flüssigkeitsmenge feststellt und ein Analogsignal über die Leitung--83--zur Steuerung der vom Generator erzeugten Frequenz der Auslösesignale weiterleitet. Es wird daher Ozon nur in dem Masse erzeugt, wie es benötigt wird.
Es sei erwähnt, dass im Rahmen der Erfindung auch verschiedene Modifizierungen der beschriebenen Ausführungsform möglich sind. Es kann z. B. nur ein koaxiales Kondensatorelement (26 oder 27) vorhanden sein, es können aber auch drei oder mehr solcher Elemente vorhanden sein, wobei sie sowohl in Serie als auch parallel geschaltet sein können. Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird Gas durch die Vorrichtung durch Anlegen eines Unterdruckes am Auslassende des Generators gefördert ; die Förderung des Gases kann aber auch durch Anwendung von Überdurck am Einlassrohr
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des Gases erfolgen. Ebenso ist die Erfindung auch auf die Behandlung anderer sauerstoffhältiger Gase als Luft anwendbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Behandlung eines sauerstoffhältigen Gases mit elektrischer Energie zur Änderung der Molekularzustände in dem Gas, bei der ein Impulsmodulator mit der Primärwicklung eines Transformators verbunden ist und dieser eine Speiseimpulsfolge zuführt und eine Behandlungseinrichtung vorgesehen ist, die zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden aufweist, zwischen denen ein von einem Einlass zu einem Auslass führender Strömungsweg gebildet ist, durch den das Gas während des Betriebes der Vorrichtung geführt wird, und weiter eine Fördereinrichtung zur Aufrechterhaltung des Durchflusses des Gases durch die Behandlungseinrichtung
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Sekundärwicklung des Transformators Teile eines abgestimmten Parallelresonanzkreises sind,
dessen natürliche Resonanzfrequenz wesentlich höher als die Folgefrequenz der Speiseimpulse ist und in dem von den dem Transformator vom Impulsmodulator zugeführten Speiseimpulsen Schwingungszüge mit nach und nach abnehmender Amplitude erzeugt werden, wobei die Behandlungseinrichtung als Kapazität des Schwingkreises wirksam ist.
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