CN117616651A - 用于电离气态介质的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电离气态介质的装置，具有带有供气装置的进气通道(101)、带有至少一个气体出口和至少一个电离单元(304)的分配通道(104)，其中所述至少一个电离单元(304)被实施为设有电极(102)的、从进气通道(101)到分配通道(104)和附属的对配电极(106)的连接通道。在此，所述电极(102)被设置成用于电离从所述进气通道(101)经由所述电离单元(304)流至所述分配通道(104)的气体，其中所述气体围绕所述电极(102)流动并且所述至少一个气体出口被实施为一个或多个喷嘴(107)或多个开口(107)。

Description

用于电离气态介质的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于电离气态介质的一种装置和一种方法及其应用。

背景技术

在生产不同产品的工业过程中，表面的静电荷并且时常伴有的灰尘颗粒对相应工件的不良附着是一个普遍问题。为了去除、甚至从一开始就避免这些电荷，已知有无空气辅助的系统和有空气辅助的系统。针对于后者，在现有技术中主要已知的是以下各种电离器的理念。

DE 10 2005 056 595 A1公开了一种具有中空壳体的电离器，该中空壳体主要容纳一个高压单元和一个控制单元。在此，沿着壳体的纵向方向还成排地布置有多个针形电极形式的电极单元和用于在针形电极周围吹送气流的空气出口。在纵向方向上，中空壳体的一部分由塑料制成，并且在空气通路的通道中被设计为使得塑料壳体内壁的一部分用作该通道的壁部。在此，空气通路与空气出口相连接。

KR 10 0 2008 035 228A描述了一种棒状电离器。该电离器具有棒部、放电电极、接地电极、高压发生单元和控制器以及喷嘴。在此，喷嘴平行于棒部布置，以便以预定的压力、在定义的喷射角度下向待放电物体的方向喷射空气。在此，喷嘴可以通过放电电极充电。因此，以如下方式来使用喷嘴和电极，即每个喷嘴具有单独的控制器，并且将喷嘴中被电极电离的空气吹出，从而实现稳定离子平衡。

WO 2006/0167 38A1描述了一种用于消除静电的装置。为此使用了以矩形脉冲类型的电压波形形成的脉冲交流高压。公开的静电消除器包括产生电晕放电的放电电极、接地电极、产生交流脉冲高压的高压单元和控制器，该控制器控制交流脉冲高压的频率和占空比。电极被集成在喷嘴中，喷嘴通过压缩空气将离子吹出喷嘴。施加的高压的频率范围限定在1Hz至10kHz之间。设定的占空比范围为40％至60％。上述静电消除器可以通过自由控制施加电压的频率和占空比来调整放电效果的程度。

DE 103 20 805A1公开了一种用于加工具有至少一根导电芯(例如电线、电缆或类似材料)的圆柱形衬底的装置，该装置具有处理空间，该处理空间具有用于尤其连续地相对于装置移动的衬底的入口和出口，其中通过对分配给处理空间的、固定地布置在装置上的至少一个电极和处理空间中的对配电极施加电压，等离子体可以被点燃，并且其中施加的电压是交流电压，其特征在于，该至少一根导电芯本身形成对配电极，从而使得在电极和该至少一根导电芯之间形成介电阻挡，该介电阻挡由衬底本身形成，并且该可点燃的等离子体是大气压低温等离子体。

DE 10 2014 117 746 A1描述了一种用于在涂漆过程中改善压缩空气或压缩混合气体的流动特性的压缩空气处理室，包括：形成中空空间的壳体、至少一个空气进入口以及至少一个空气流出口、布置在中空空间内的至少一个电极、用于给电极供应高压的至少一个高压源，其中空气进入口和空气流出口被布置成使得压缩空气或压缩气体混合物可以优选沿纵向方向流经中空空间，其中在中空空间内至少一个绝缘层被布置在壳体外壳的内表面上，并且在中空空间内部在电极和对配电极之间可以产生电磁场，优选的是非均匀电磁场或部分非均匀电磁场，具有供待处理的压缩空气流经的活跃区域。

此外，DE 10 2012 004 270 A1公开了一种用于处理气流、特别是用于处理内燃发动机的废气流的装置，该装置具有至少一个可以被气流径向流经的径向空间，该径向空间从中心区域大体径向地延伸到外部的收集空间，其中径向空间由近似圆盘形的第一壁部和第二壁部限定而成，并且其中多个指向径向空间的电极从第一壁部伸出。在此，第一和第二圆盘形的壁部优选大体上平行地延伸。第一圆盘形的壁部优选地由电绝缘的材料形成，具有紧固在其中的可导电的电极，这些电极彼此通过在电绝缘材料内或其上延伸的电导体电连接。围绕中心区域，可轴向相继地设有两个或两个以上平行延伸的径向空间。

US 6,744,617 B2公开了一种在壳体内的放电电极条。在该壳体中，在其下部区域布置有空气单元和放电电极组件，在其上部区域布置有高压单元和控制单元。在此，壳体由可分离的左右壳体部件组成，这些壳体部件以可分离的方式布置在彼此上。

US2009/0135538 A1描述了一种电离器，其中具有一个由铁电元件形成的压电变压器，当交流电压施加到该变压器的初级区段时，在变压器的次级区段产生高压。通过在压电变压器次级区段的上表面和下表面适当地布置接地电极，通过用于绝缘的介电膜在接地电极周围进行介电阻挡放电。由此在空气流中产生正离子和负离子，紧接着将空气流从空气喷嘴处吹向待中和的物体。

JP 2001085190 A描述了一种产生稳定电晕放电的电离器。为此，电离器借助压电变压器来增强控制信号。在此，待增强的控制信号与压电变压器的固有振荡频率相对应。

EP 1 241 755 A2公开了一种离子发生装置。在该离子发生装置中，在电极针和对配电极板之间产生并维持用于产生离子的电场。由此产生表面放电路径A和表面放电路径B，表面放电路径A穿过空气放电口延伸并且在电极针与对配电极板之间的距离最短，表面放电路径B不穿过空气放电口延伸。表面放电路径A和表面放电路径B的距离通过结构上的措施来改变。

现有系统在产生离子平衡和在空间上均匀地提供离子(涉及待放电的组件)方面存在构型上的缺点。即具有离子平衡(适合将静电电压相对于地电位降低到显著低于+/-50V)的系统过于庞大。这种系统通常具有单独的电极单元，电极单元相应地结合有吹风喷嘴。因此，产生的不同的几何形状不够紧凑。此外，这些电极单元/吹风喷嘴单元的距离相对较大，导致离子在空间上分布不均匀，这往往使得在组件上产生条纹状放电。相比之下，没有空气辅助来吹出离子的较小系统则无法达到所需的离子平衡，这是因为物理引起的正负电晕放电之间的不平衡，加上不可避免产生的载流子的部分重组，导致很难控制离子平衡，并且由此产生的结果是残余电荷明显高于上述的+/-50V。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，并且提出一种合适的构型方案。

这个目的通过主权利要求的特征以及独立从属权利要求的特征来实现。优选的实施方案是各从属权利要求的主题。

根据本发明，用于电离气态介质的装置具有带有供气装置的进气通道、带有至少一个气体出口的分配通道和至少一个电离单元。在此，所述至少一个电离单元设有电极并且被实施为从所述进气通道到所述分配通道的连接通道。所述电极被设置成电离从所述进气通道通过所述电离单元流向所述分配通道的气体。所述装置的特征在于，所述气体环绕所述电极流动并且所述至少一个气体出口被实施为一个或多个喷嘴或多个开口。

就本文而言，电离单元用于在气态介质内产生离子。尤其并且不局限于此，电离单元通过高电场密度产生离子。其他形式的电离单元可以包含紫外线光源、热电子源或甚至放射源。基于场电离和场发射原理的电离单元自然需要至少两个电极来形成必要的强电场。在此，通常至少一个电极具有丝状几何形状(例如针状)，以便将电场线和与此相关联的电场的强度不均匀性相结合，从而局部产生所需的高场强。在此，附属的对配电极大多数被设计为平面状。例如(不局限于此)，对配电极可以呈圆柱形地围绕针形电极布置，并且在距离较小的情况下，通过使用电绝缘材料来防止可以通过形成的载流子产生的、击穿或火花隙形式的直流电流。

就本文而言，喷嘴和开口不是必须具有圆形截面。确切言之，喷嘴和开口例如可以被设计为开缝、孔或任何几何形状的铣槽，但并不局限于此。

本目的的解决方案包括使用本发明的装置对气态介质进行部分电离的方法，其中该方法包括以下步骤：

在所述电极和所述对配电极之间施加高压，

以高于周围压力的工作压力将气态介质送入所述进气通道，

经由气体入口将气态介质引入到所述电离单元，引导气态介质在电极旁经过，并且经由所述气体出口将所述气态介质从所述电离单元引出到所述分配通道中，以及

经由至少一个开口或喷嘴将所述气态介质吹出所述分配通道。

就本发明而言，工作压力是使气态介质从进气通道流经电离单元直到吹出所需的压力。这是通过压力梯度实现的，其中进气通道被施加高于分配通道的压力，并且分配通道内的压力条件高于周围压力。

就本文而言，气态介质的至少部分电离是指并非所有现有气体颗粒都以原子或中性分子的形式存在。

在此，气态介质的完全电离不是本文的主题，因为这将导致电离单元和相应的对配电极之间因导电性增加可能产生破坏性电流。当然，由于重组的因素，在正常的大气条件下(气压约1013hPa，相对空气湿度约40％，环境温度约20℃)不可能完全电离。这只有在等离子体中才能实现。

就这点而言，部分电离是一种无法改变的情况。

在本发明的实施方式中，气态介质是空气、经净化的空气、氮气、氩气、二氧化碳、氧气或它们的混合物。

因此，优选可使用工业上和商业上可获得的气体或预制气体混合物。由此可以有利地预测预期的电离程度。此外，在本发明的实施方式中，还布置了额外的旁路，以便引导气态介质部分地在电离单元旁经过。这样便能在围绕电极流动后，为含离子的介质混入气态介质的不含离子的部分，并且由此增强吹送效果。这样便能有利地个性化调整待实现的放电效果和清洁效果。

在本发明的实施方式中，所述开口或喷嘴被定义为布置在分配通道的表面上。在此，这种布置优选地通过三维空间中的至少一条一维曲线的参数设置来定义，开口或喷嘴的中心点被布置在这至少一条一维曲线上。

根据从分配通道入口到气体出口的压力梯度可以定义优选方向。开口或喷嘴中心点的参数设置沿如此定义的优选方向的部分不为零。这样便能有利地选择以流动意义上优化的方式计算出来的开口或喷嘴的位置。这些参数或参数设置可以更简单地在生产设备中实施，并且在此生产设备中实现了生产过程的自动化。由此能够同时实现高度个性化和经济高效的生产。在最简单的情况下，一维曲线例如是直线或圆弧线。

在本发明的实施方式中，电离单元的电绝缘材料由塑料、玻璃、陶瓷或合成树脂制成。这是有利的，因为借此能够影响因撞击离子造成的不可避免的侵蚀过程。由于电晕放电还不可避免地产生臭氧(臭氧可以通过其氧化作用改变材料)，因此有利的是选择能抵抗这种氧化作用的材料。如果注重经济利益，则可使用高耐磨材料，这种材料首次采购成本要低得多。另一方面，对于被设计用于无需维护的持续运行的设备而言，优选使用合适的陶瓷。一般来说，可能的电绝缘材料选择较多并且在生产中具有优点，这是因为由此可以使用各种几何形状。

在本发明的实施方式中，所述进气通道在供气平面内延伸，所述分配通道在分配平面内延伸。在此，这两个平面大体上相互平行。由此将任意形状的进气通道和具有类似形状的分配通道考虑在内，其中具有这样的形状的进气通道和分配通道相互平行地延伸。例如(但不局限于此)，在最简单地情况下使用两个相同的管段。在此，所使用的管段的长度比其本身的直径超出多倍，并且这两个管段在布置和定向上基本平行地延伸。在另一个不构成限制的示例中，进气通道和分配通道被设计成圆环状。在此，这种设计可以使供气平面和分配平面(使用较抽象的平面定义)同心。在此，平面可以理解为同心圆柱体的侧表面。这是有利的，因为由此可以使装置适应待清洁或待放电物体的几何形状。由此实现了围绕物体的有利流动并且优化了清洁介质的表面效果。

在本发明的实施方式中，所述高压被实施为交变高压。在此，所述电压量的峰值在1kV至50kV之间。优选地在1.5kV至40kV之间，尤其优选地在2kV至35kV之间。这是有利的，因为由此增强了构型与电离度之间的良好折中。

在本发明的实施方式中，形成必要电场所需的高电压是通过集成在装置中的高压源来实现的，这些高压源由外部提供的低电压供电。这对于装置的紧凑性来说是有利的。

如果分配通道至少部分地被平行延伸的接地导体包围，则有利于实现良好的离子平衡并且由此将待放电物体上的残余电荷降至最低。例如，这种电导体在此可以被设计为金属箔网或金属片，但并不局限于此。

在本发明的实施方式中，用于控制和/或调节电离单元高压的措施是在所述装置内实施的。这还包括但不限于用于监测高压和气态介质电离度的监测装置。

在本发明的实施方式中，气态介质的工作压力设置在50mbar/50hPa和20bar/2MPa之间。这是有利的，因为在此压力范围内可以达到所需的流动条件。在压力低于50mbar/50hPa的气态介质中，统计撞击过程越来越多地成为一种传输现象。随着压力的降低，这些过程越来越不适合用来形成连续的流动以及由此产生的离子传输。在20bar或2MPa以上的压力范围内，气体颗粒、尤其是生成的离子具有明显缩短的平均自由路径，这导致重组增加。此外，还可以采用市售的措施来管理有利的压力范围，这在构造和供应方面带来了经济上的优势。

本发明的另一方面涉及使用根据本发明的装置对气态介质进行至少部分电离。其中，由一个进气通道和多个分配通道(每个分配通道有至少一个电离单元)组成的级联装置也是可以考虑的。这有助于在维持单个电离器的依据本发明优化的构型的情况下，为即使是最复杂和较大的物体获得最佳的放电效果。

为了实现本发明，也可酌情将上述实施方式和权利要求书的特征结合起来。

附图说明

下面借助非限制性的附图和实施例进一步描述本发明的主题。

具体实施方式

在图1中示意性地示出带有起连接作用的电离单元的线性通道布局的局部截面图。截面在此被选择为：形成平面的轴中的一个与电离单元内的针形电极102的纵轴相对应，并且第二个轴与通道布局的纵轴相对应。此外还绘示了气态介质(例如空气)流经电离单元的可能的流动方向。空气沿着进气通道101流动。在此，部分空气流进入到电离单元。这部分空气流在针形电极102周围形成流体103。为了清楚起见，没有绘示针形电极102和对配电极106之间的电路。然而，电离单元具有由电绝缘材料构成的壳体105。如果根据本发明连接了电压，则流动的空气在其部分电离后经由设有的开口离开电离单元进入分配通道104。在分配通道104中设置有喷嘴开口107，被部分电离的空气经由这些喷嘴开口从装置中逸出。

在图2中示意性地展示了电离单元的两个局部图。这两个局部图在此分别展示了没有旁路和有旁路的截面图。截面平面在此由沿针形电极106延伸的圆柱轴和沿设想的进气通道延伸的径向轴形成。左侧的局部图展示了没有旁路的电离单元，仅绘示出了进气口202和附属的排出口203。右侧的局部图展示了具有进气口202、附属的排出口203和旁路201的电离单元。

在图3中示意性地展示了根据本发明装置的纵向截面。截面平面由装置的纵向方向以及电离单元的的纵向方向形成。在装置内部，在进气通道下方展示了一个独立的区域。在该区域中布置有高压电源301，该高压电源与电离单元304的针形电极和对配电极导电地连接。该高压单元由低压接口302实现供电。在附图中，低压接口被布置在进气通道的进入口303的下方。由此，气态介质经由进入口303沿进气通道流动，紧接着(根据与图2类似的方案之一)被引导穿过电离单元304并且被至少部分电离。紧接着，空气的质量流将离子从电离单元带入到分配通道104中。从那里，空气离子混合物从喷嘴开口107流出。

类似于图3，在图4中示例性且示意性地展示了本发明装置的由两个线性布局组成的级联的纵向截面。在此，截面平面的走向如图3所示。可以看到的是，分配通道具有气密的分离部401，该气密的分离部是为了防止各区段内的气流和离子平衡受到不必要的影响。还可以看到的是，这两个区段中的每个区段通过相同的进气通道供气，然而，每个区段具有自身的高压电源301和自身的电离单元304。

在图5中示意性地示出了本发明的装置在图3中展示的线性布局的外部视图。该外部视图为等距视图，其中喷嘴开口107朝上。此外，为了更好地定位，进气通道的进入口303和供电接口302都显示在远离观察者的一侧上。

在图6中示意性地示出了圆形的几何实施方案的外部视图。该内部结构在此与图3和图4的内部结构类似。进气通道101和分配通道104两者具有相同的圆环形底面。在此，这两个底面以在其俯视图中叠合的方式布置，从而使得径向对称的通道上下叠置。在此，喷嘴开口107被布置在分配通道的底面平面上。进气通道的进入口303朝下。

在图7中示意性地示出了圆形的几何实施方案的外部示意图。该内部结构与图3和图4的内部结构类似。喷嘴开口107在此沿圆周路径曲线以连续的方式布置在分配通道的同心的内侧面上。进气通道的进入口303类似图6朝下。

在一个实施例中，进气通道101和分配通道104类似于图3描述的装置进行布置。在此，最大长度达300mm。装置的宽度达20mm，并且最高高度达35mm。外壳由塑料制成并且与图5所示的装置类似地布置。在此，喷嘴开口107在外壳上沿外壳的中心纵轴被实施为28个圆孔，并且每个圆孔的直径为1mm，并且圆孔相互之间的距离为10mm。进气通道的进入口303被实施为可插入式的压缩空气接口。在运行过程中，施加的压缩空气的工作压力介于0.2bar(200hPa)和6.0bar(0.6MPa)之间。通过电性插式连接器(302)为布置在装置内部的高压单元301供应低压并对其进行控制。由此，在电离单元304上实现至高达3kV的电压。高压在此由频率为70kHz的压电变压器产生。在此电压和设置的工作压力下，形成经由喷嘴开口107呈扇形扩散开的、至少部分被电离的空气的流体，其具有在+35V和-35V之间的良好离子平衡。

附图标记表

101 进气通道

102 针形电极

103 流体

104 分配通道

105 由电绝缘材料构成的壳体

106 对配电极

107 喷嘴开口

201 旁路

202 进气口

203 排出口

301 高压电源

302 供电和电控的接口

303 进气通道的进入口

304 电离单元

401 气密的分离部

Claims (12)

1.一种用于电离气态介质的装置，包括带有供气装置的进气通道(101)、带有至少一个气体出口和至少一个电离单元(304)的分配通道(104)，其中所述至少一个电离单元(304)被实施为设有电极(102)的、从所述进气通道(101)到所述分配通道(104)和附属的对配电极(106)的连接通道，并且所述电极(102)被设置成用于电离从所述进气通道(101)经由所述电离单元(304)流至所述分配通道(104)的气体，其特征在于，所述气体围绕所述电极(102)流动并且所述至少一个气体出口被实施为一个或多个喷嘴(107)或多个开口。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开口或喷嘴(107)沿着一条线布置在所述表面上，其中所述线的参数设置的沿所述分配通道(104)的纵向方向的部分不为零。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述电离单元(304)的电极(102)与周围的对配电极(106)之间布置有由塑料、玻璃、陶瓷或合成树脂制成的绝缘层。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述进气通道在供气平面内延伸，所述分配通道(104)在分配平面内延伸，并且所述两个平面大体上相互平行。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述分配通道(104)至少部分地被接地导体包围，并且所述接地导体与所述分配通道(104)平行地延伸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少所述分配通道(104)被设计用于级联至少两个用于电离气态介质的装置。

7.一种用根据权利要求1至6中任一项所述的装置将气态介质部分电离的方法，包括以下步骤

在所述电极(102)和对配电极(106)之间施加高压，

以高于周围压力的工作压力将气态介质送入所述进气通道(101)，

经由所述气体入口将所述气态介质引入到所述电离单元(304)，引导气态介质在电极(102)旁经过，并且经由所述气体出口将所述气态介质从所述电离单元(304)引出到所述分配通道(104)中，以及

经由至少一个开口或喷嘴(107)将所述气态介质吹出所述分配通道(104)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高压被实施为交变高压。

9.根据权利要求7或8中任一项所述的方法，其特征在于，所述高压量的峰值在1kV至50kV范围内，优选地在1.5kV至40kV范围内，尤其优选地在2kV至35kV范围内。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述工作压力介于50hPa和2MPa之间。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述气态介质选自空气、经净化的空气、氮气、氩气、二氧化碳和氧气或它们的混合物。

12.一种使用根据权利要求1至6中任一项所述的装置和根据权利要求7至11中任一项所述的方法对气态介质进行至少部分电离的应用。