DE10129041A1 - Elektrischer Entladungsapparat zum Zwecke der Erzeugung aktiver Sauerstoffionen und von Ozon mit geregelter piezoelektrischer Hochspannungserzeugung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß Ionisations- und Ozonisierungsapparate nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung stabil und automatisch geregelt mit einer sich selbst einstellenden hohen elektrischen Betriebsspannung betrieben werden, in welchem die Luft in hohem Maße ionisiert wird, und Ozon (O¶3¶) in wunschgemäßem Maße erzeugt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Hochspannung durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt. Es wird eine erfindungsgemäße Baugruppe beschrieben, bei der ein piezoelektrischer Wandler integrierter Bestandteil einer nach dem Prinzip der dielektrischen behinderten Entladung arbeitenden flachen Baugruppe ist. DOLLAR A Methoden zur Durchführung des Verfahrens werden beschrieben.

Description

Es besteht vielfach der dringende Wunsch, in Belüftungsanlagen von Gebäuden, Fahrzeugen, Klimageräten und Kraftfahrzeugen als auch in kompakten Luftaufbereitungs- und Luftkonditionierungsanlagen die Luft nicht nur von Stäuben und Partikeln zu befreien, sondern auch von Gerüchen und vor allem von krankmachenden Keimen zu befreien.

Die (im Betrieb feuchte) Oberfläche des Verdampfers in Fahrzeugen mit Klimaanlagen bzw. ganz allgemein in Klimaanlagen für Räume und für Gebäude ist ein Nährboden für Keime und Pilze aller Art.

Vom Luftstrom abgerissene und in die Kabine bzw. in Räume getragenen Bakterien, Pilze und Keime sowie die Stoffwechselprodukte der Bakterien, Pilze und Keime sondern einen üblen Geruch ab und sind gesundheitlich äußerst bedenklich.

In den Patentanmeldungen
P 195 43 296.7; P 196 46 269.1; P 196 51 403.7;
P 199 02 304.2; P 199 19 623.0; P 199 31 366.0;
P 199 33 180.4; P 100 14 485.3; P 100 13 841.1;
P 100 04 326.7; P 100 58 476.4; PCT/DE 00/02164;
PCT/EP 01/00672; P 101 03 905.0; P 101 180 78.0
sind Methoden vorgeschlagen worden, um diesen Problemen unter Einsatz von geregelten oder ungeregelten Ionisations- und Ozonisierungsapparaten abzuhelfen.

In der Patentanmeldung P 199 31 366.0 ist eine flache Baugruppe mit planarem Aufbau vorgeschlagen worden, die vorteilhaft und langzeitstabil Ozon und Sauerstoffionen nach dem physikalischen Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung nach Anlegen einer elektrischen Hochfrequenz-Hochspannung erzeugt.

In der Patentanmeldung P 100 13 841.1 ist ein Verfahren angegeben, um die Ozon- und Ionenproduktion mit Hilfe einer elektrischen Regelschaltung konstant zu halten.

Dies ist von größter Bedeutung, weil die Ozon- und Ionenproduktion verschiedensten Einflüssen unterliegt und weil bei Langzeitbetrieb sich die elektrischen und mechanischen Werte der zur Ozon- und Ionenproduktion eingesetzten Baugruppen verändern können.

Das wirkt sich vorteilhaft auf die technische Anwendbarkeit Ozon- und Ionisationsgeräten aus, weil mit Einsatz dieser Erfindung konstante Bedingungen erreicht werden, was anderenfalls bei der bekannten Toxizität von Ozon bedenklich wäre.

Es ist bekannt, Luft mit Hilfe hoher elektrischer Spannungen zu ionisieren.

Prinzipiell entsteht immer auch Ozon, wenn es zu energiereichen Entladungen im Raum kommt (Stoß-Ionisation und begleitende Dissoziation des zweiatomigen Sauerstoffs).

Die Ionisation erfolgt technisch häufig mit der Methode der Koronarentladung (Spitzenentladung).

Dabei ragen feine Spitzen in den Luftraum, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind. Diese Spitzen können auch zu Bündeln zusammengefaßt werden, die feinen Pinseln ähneln. Als Materialien sind Metallnadel, Metallfäden, und neuerdings auch elektrisch leitfähige Kunststoffe bekannt. Auch sehr dünne Drähte werden als Elektrode eingesetzt.

Der andere Pol der Hochspannungsquelle liegt an einer großflächigen Gegenelektrode.

An den Spitzen entsteht ein hohes elektrisches Feld. Es kommt dort zum Austritt von Elektronen, die sich auf benachbarte Luftmoleküle bzw. auf in der Luft befindliche Teilchen, Partikel oder sogar Bakterien setzen und insofern Ionen bilden.

Vor allem luftgetragene Partikel aller Art werden bevorzugt ionisiert und tragen insofern eine negative elektrische Ladung.

Diese Ladung veranlaßt die ionisierten Partikel sich auf Oberflächen (Abscheide-Elektrode) abzulagern, um dort das überschüssige Elektron abzugeben.

Vom Ergebnis her kommt es zu einer Befreiung der Luft von Partikeln und Keimen, was in sogenannten elektrostatischen Luftaufbereitungsgeräten und Entstaubungsanlagen seit Jahrzehnten industriell ausgenutzt wird.

Bei Apparaten nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung, wie zum Beispiel bei der seit 1857 (siehe: "Annalen der Physik, 1857") bekannten "Siemensröhre" oder bei dem in P 199 31 366.0 beschriebenen Flachmodul, entstehen sowohl Ionen als auch Ozon.

Die chemische Reaktivität von Ozon ist höher als die chemische Reaktivität von Sauerstoffionen.

Die Nützlichkeit luftgetragener Sauerstoffionen ist in zahlreichen Arbeiten beschrieben worden und ein Prinzip der Natur zur Reinigung der Luft von Partikeln als auch zur Sterilisierung und Deodorierung von Luft und von Oberflächen.

Durch die Wahl des Arbeitspunktes lassen sich sowohl überwiegend Ionen als auch überwiegend Ozon produzieren.

Die Erzeugung der für die Ozonisierung und Ionisierung nötigen Hochspannung wird dem Stand der Technik gemäß erzeugt, indem mit Hilfe eines elektrischen Transformators aus einer relativ kleinen Wechselspannung eine Hochspannung in der Größenordnung zwischen 3 und 7 KV erzeugt wird.

Im einfachsten Fall erfolgt dies mit einer aus dem elektrischen Netz (z. B. 230 V/50 Hz) hochtransformierten elektrischen Spannung.

Nachteilig ist, daß bei niedrigen Frequenzen Transformatoren mit großem Kern und entsprechendem Gewicht benötigt werden.

Außerdem ist der Gesamtwirkungsgrad der Ionen- und Ozonerzeuger aufgrund der Schnelle der Änderungsbeträge über die Zeit systematisch geringer.

Aus diesem Grunde wird bevorzugt die Hochspannung über elektrische Hochfrequenzgeneratoren erzeugt, welche mit einer Frequenz von ca. 30-100 KHz arbeiten.

Die Transformation erfolgt dem Stand der Technik gemäß ebenfalls in einem elektrischen Transformator, welcher jedoch aufgrund des mit höherer Frequenz verbesserten Wirkungsgrades kleiner und damit kompakter und leichter sein kann.

Nachteilig sind beim Einsatz eines Transformators grundsätzlich dessen Gewicht, dessen mechanische Größe und die Tatsache, daß die bei der Bildung der ionenerzeugenden Filamente (Einzelentladungen) entstehenden elektrischen Impulse über den Transformator in die Spannungsversorgung rückübertragen werden.

Bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die elektrische Sicherheit und an den Schutz vor elektromagnetischen Störungen ist dies gefährlich und damit unerwünscht und wird mit hohem technischem Aufwand an Abschirmungen und elektrischen Schutzmaßnahmen verhindert.

Es ist bekannt, daß z. B. balkenförmige piezoelektrische Keramiken sich bei Anlegen einer Spannung mechanisch verformen. Technisch wird dies z. B. bei Piezolautsprechern, piezoelektrischen Rüttlern, piezoelektrischen Ventilsteuerungen und anderen Anwendungen ausgenutzt.

Es ist weiter bekannt, daß balkenförmige piezoelektrische Keramiken bei mechanischer Verformung eine Spannung abgeben. Dies wird technisch ausgenützt z. B. bei Zündgeräten (Feuerzeug).

Es ist damit erkennbar, daß in Resonanz betriebene piezoelektrische Keramiken, die einerseits durch Anlegen einer im Resonanzpunkt betriebenen elektrischen Wechselspannung in Schwingungen versetzt wird und die andererseits am anderen Ende die erzeugten mechanischen Schwingungen wieder in eine elektrische Spannung zurückverwandeln können.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau.

Legende zu Fig. 1

1

Elektronische Ansteuerung, in Resonanz mit dem Biegeschwinger (

5

) bzw. Längsschwinger

2

Einkopplung in das piezoelektrische Material zwecks mechanischer Schwingung des Schwingers (

5

) in seiner Resonanzfrequenz

3

Auskopplung einer hohen elektrischen Wechselspannung aufgrund der Schwingungen des piezoelektrischen Schwingers (

5

)

4

Einspannung des piezoelektrischen Biegeschwingers im Resonanzknoten

5

Schwinger, mechanisch in Resonanz bei einer Frequenz zwischen 30-100 KHz

6

Ionisationsmodul (nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung)

Die prinzipielle Funktion erklärt sich wie folgt. Der Schwinger (5) hat eine mechanische Eigenresonanz bei einer Frequenz zwischen 30 KHz und 100 KHz.

Eine elektronische Schwingschaltung (1) erzeugt elektrische Signale der Resonanzfrequenz, welche über Kontaktierungen (2) in das piezoelektrische Material eingespeist werden. Dies hat zur Folge, daß sich entsprechend der angelegten Polarität der Biegeschwinger in die eine oder andere Bewegungsrichtung auslenkt. Da die Anregung im Resonanzpunkt erfolgt, entstehen hohe Amplituden. Anstelle eines Biegeschwingers kann grundsätzlich auch ein Längsschwinger eingesetzt werden.

Der Biegeschwinger ist im Schwingungsknoten eingespannt (4), so daß sich die mechanische Schwingung auf die andere Seite der Einspannung fortsetzen kann, wo eine sehr hohe Amplitude erreicht wird. Über Kontaktierungen (3) wird eine sehr hohe Piezo-Spannung abgegriffen, welche unmittelbar auf ein Ionisationsmodul (6) geleitet werden kann.

Erfindungsgemäß wird damit vorgeschlagen, die Erzeugung der für den Betrieb von Ionisationsbaugruppen erforderliche hohe Wechselspannung dadurch zu erzeugen, daß piezoelektrische Wandler eingesetzt werden, welche typisch im Resonanzpunkt einer Frequenz zwischen etwa 30-100 KHz schwingen, wobei die damit erzeugte mechanische Energie mit Hilfe des Piezoeffektes in eine hohe elektrische Wechselspannung (typisch zwischen 3-7 KV) umgewandelt wird.

Vorteilhaft ist, daß die Piezobaugruppe klein und vergleichsweise leicht ist, und daß keine störenden elektromagnetischen Impulse von der Sekundärseite zurück zur Primärseite übertragen werden können, was ein sehr großer Vorteil dieser Erfindung ist.

Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, daß die piezoelektrische Baugruppe auf eine keramikbasierte flache Baugruppe (nach P 199 31 366.0) aufgebracht wird, so daß vorteilhaft eine einzige funktionale Baugruppe entsteht, welche sehr kompakt und leicht ist und keine hochspannungs- und damit Störimpulse führenden elektrischen Zuleitungen kennt.

Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, daß unter Anwendung der Lehre von P 100 13 841.1 die Ionisationsleistung konstant gehalten wird, indem die Höhe der Hochspannung als Funktion der Zahl der elektrischen Entladungsimpulse begriffen wird und daß aus der Zahl der elektrischen Entladungsimpulse in der Ionisationsbaugruppe eine die Ionisationsleistung stabilisierende Regelgröße abgeleitet wird und daß die für die Erzeugung der Regelspannung benötigten elektrischen Bauteile auf dem Keramiksubstrat der flachen Ionisationsbaugruppe aufgebracht ist.

Es ergibt sich insofern ein elektrischer Aufbau nach Fig. 2.

Legende zur Fig. 2

1

elektronische Erzeugung von Ansteuerimpulsen für die Piezokeramik in der Resonanzfrequenz des Biegeschwingers (

2

) bzw. Längsschwingers

2

piezoelektrischer Schwinger mit zweifacher elektrischer Kontaktierung

3

Übertrager zur Auskopplung der hochfrequenten elektrischen Entladungsimpulse

4

Aufbereitung der Entladungsimpulse zu einer Regelspannung

5

Regelspannungsleitung zur Ansteuerelektronik (

1

) zur Konstanthaltung der Ionisationsleistung.

In der bevorzugten Ausführung wird zur Erzeugung von Sauerstoffionen und von Ozon eine flache keramische Baugruppe nach P 199 31 366.0 eingesetzt, welche nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung arbeitet. Auf dem dafür benötigten Keramiksubstrat wird nach den technischen Prinzipien der sogenannten Hybrid-Technik auf die Piezobaugruppe sowie alle für die elektrische Ansteuerung benötigten elektrischen Bauteile aufgebracht, so daß sich eine kompakte und leichtgewichtige Funktionsbaugruppe ergibt.

Erfindungsgemäß kann alternativ nach Gleichrichtung des von der piezoelektrischen Baugruppe stammenden Wechselspannungssignals eine nach dem Prinzip der Koronarentladung arbeitende Baugruppe (Spitzenionisation) angesteuert werden.

Der erfindungsgemäße Gedanke ist stets, daß die Erzeugung der Hochspannung auf einen Hochspannungstransformator verzichtet, welcher stets durch eine piezokeramische Baugruppe ersetzt ist, welche sich bevorzugt als Baugruppe unmittelbar am Ionisator befindet, mit dem sie bevorzugt eine einzige, kompakte Baugruppe ausbildet.

Claims (5)

1. Baugruppe zur Erzeugung von Ozon und/oder von Sauerstoffionen in der Luft nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung oder nach dem Prinzip der Koronarentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Ionisation bzw. Ozonerzeugung benötigte Hochspannung mit Hilfe eines piezoelektrischen Schwingers erzeugt wird, welcher durch eine angelegte elektrische Impulsspannung zu resonanten mechanischen Schwingungen angeregt wird, welche durch einen weiteren Abgriff auf dem Schwinger in eine hohe elektrische Spannung zurückgewandelt wird.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Baugruppe mit der Baugruppe zur Ionisation/Ozonisierung zu einer technischen Funktionseinheit integriert ist.

3. Baugruppe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Baugruppe und deren elektrische Ansteuerschaltung in Hybridtechnik auf dem für das flache Ionisationsgerät eingesetzte Keramiksubstrat montiert ist.

4. Baugruppe nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Baugruppe eine elektrische Regelung der Hochspannung enthält, die abhängig von der Ionisations- bzw. Ozonisierungsleistung das Arbeiten in einem stabilen Arbeitspunkt garantiert.

5. Baugruppe nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisation von Luftbestandteilen nach dem Prinzip der Koronarentladung über feine, in den Luftraum ragende Spitzen erfolgt, wobei die benötigte Hochspannung von einer piezoelektrischen Baugruppe erzeugt wird, deren Spannung gleichgerichtet wurde.