DE102005056726B4

DE102005056726B4 - Kondensatorenvorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Radikalen und Oxidantien

Info

Publication number: DE102005056726B4
Application number: DE200510056726
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: TW200736159A; DE102005056726A1; WO2007062816A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Radikalen und Oxidantien in sauerstoffhaltigen Gasen mittels nichtthermischer plasmachemischer Umsetzung, die folgendes umfasst: – eine stark strukturierte, geerdete Außenelektrode (1), – eine Innenelektrode (4), – ein Dielektrikum (2) das die Außenelektrode (1) und Innenelektrode (4) voneinander trennt, und – eine Einzelelektrode (5) oder ein fächerförmiges Elektrodenbündel (6) an einem Kabel (8), worüber die Innenelektrode (4) mit einer Hochspannungsquelle verbunden werden kann, wobei die Innenelektrode (4) aus einer Packung aus leitfähigen Fasern besteht und homogen über das Dielektrikum (2) verteilt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kondensatorvorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Radikalen und Oxidantien, die nach dem Prinzip der nichtthermischen plasmachemischen Umsetzung arbeiten, und die oxidative Behandlung gashaltiger Materialien mit diesen Radikalen und Oxidantien.
Stand der Technik
Bezüglich des Standes der Technik wird auf die folgenden Patentdokumente
DE 199 31 366 A1
DE 198 22 841 A1
DE 198 15 703 A1
DE 102 54 135 B3
verwiesen, in denen Vorrichtungen beschrieben sind, die nach dem Prinzip der nichtthermischen plasmachemischen Umsetzung (stille dielektrische Barriereentladung) arbeiten.
Vorrichtungen zum oxidativen Reinigen organisch belasteter Gase setzen vermehrt nichtthermische Plasmen ein. Nichtthermische Plasmen zeichnen sich dadurch aus, dass Atome, Moleküle und Elektronen nicht im thermischen Gleichgewicht mit den anderen gasförmigen Gasbestandteilen sind. Diese Plasmen enthalten hochreaktive freie Radikale und Oxidantien, die organische Gasinhaltsstoffe ohne Zugabe eines Brennstoffs bereits bei niedrigen Temperaturen umsetzen.
Nichtthermische Plasmen werden vorzugsweise mit Hilfe der stillen dielektrischen Barriereentladung erzeugt; sie dienen zum Entkeimen von Luft, zum Beseitigen von Gerüchen und zum Reduzieren von Partikeln. Beispielsweise kann die nichtthermische plasmachemische Erzeugung von Radikalen und Oxidantien in sauerstoffhaltigen Gasen genutzt werden zur Zerstörung und Entfernung von Teilchen, Gerüchen, Bakterien, Sporen, Pollen und Keimen.
Die Grundeinheit für ein nichtthermisches Plasma-Verfahren ist wie ein Kondensator aufgebaut; sie besteht aus zwei Elektroden, die ein sogenanntes Dielektrikum einschließen. Mindestens eine der beiden Elektroden ist stark strukturiert und porös oder weist einen Gasspalt zwischen Elektrode und Dielektrikum auf, so dass Gas zwischen Dielektrikum und Elektrode eindringen kann. Legt man die beiden durch ein Dielektrikum (Barriere) getrennten Elektroden an eine hochfrequente geglättete Wechselspannung, werden an den Strukturen mit sehr geringen Krümmungsradien oder im Spalt zwischen Elektrode und Dielektrikum selbst unterbrechende elektrische Mikroentladungen erzeugt. Jede Mikroentladung ist eine Entstehungsquelle für ein nichtthermisches Plasma, das dadurch gekennzeichnet ist, dass durch energiereiche Elektronen hochreaktive Oxidantien und freie Radikale erzeugt werden. Die Radikale bewirken u. a. eine Dissoziation der Sauerstoffmoleküle in zwei Sauerstoffatome mit erhöhtem Energie- und Ladungspotential. Die so erzeugten naszierenden Atome oxidieren viele organische Gas-Bestandteile teilweise – im Idealfall zu Wasser und Kohlendioxid.
Die oben beschriebenen nichtthermischen Plasma-Vorrichtungen sind als stab-, zylinder- oder plattenförmige Kondensatoren aufgebaut. Das Dielektrikum dieser Kondensatoren besteht aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Glas oder Keramik.
Die verwendeten röhrenförmigen Glaskörper weisen in der Regel eine zusätzliche leitfähige Schicht auf, damit die Dielektrizität besser auf den Glaskörper übertragen werden kann.
Derartige Vorrichtungen dienen üblicherweise zum Erzeugen von Ozon. Nachteilig bei diesen Konstruktionen sind die großen Abmessungen, das hohe Gewicht, die hohen Produktionskosten und die benötigte hohe Wechselspannung. Das erfindungsgemäße Ziel ist die Überwindung dieser mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile.
Folglich wird zur Überwindung der obigen Probleme erfindungsgemäß eine Kondensatorvorrichtung zur Erzeugung von Radikalen und Oxidantien in sauerstoffhaltigen Gasen mittels nichtthermischer plasmachemischer Umwandlung bereitgestellt, die folgendes umfasst:
eine stark strukturierte geerdete Außenelektrode (1),
eine Innenelektrode (4),
ein Dielektrikum (2), das die Außenelektrode (1) und Innenelektrode (4) voneinander trennt, und
eine Verbindungselektrode, die die Innenelektrode (4) mit einer Hochspannungsquelle verbindet,
wobei die Innenelektrode (4) aus einer Packung aus leitfähigen Fasern besteht und homogen über das Dielektrikum (2) verteilt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Kondensatorvorrichtung sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen 2 bis 15 definiert.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erzeugung von Radikalen und Oxidantien in sauerstoffhaltigen Gasen mittels nichtthermischer plasmachemischer Umwandlung bereitgestellt, das das Anlegen einer geglätteten Hochfrequenz-Wechselspannung an die Elektroden (1) und (4) der erfindungsgemäßen Kondensatorvorrichtung umfasst.
Die erzeugten Radikalen und Oxidantien können für verschiedene Zwecke verwendet werden, wie beispielsweise zur Sterilisierung von Luft, Entfernung von Gerüchen und zur Verringerung, Zerstörung und Entfernung von Teilchen, Bakterien, Sporen, Pollen oder Keimen.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die Abmessungen und das Gewicht erheblich reduziert und dadurch die Fertigungskosten gesenkt. Als Dielektrikum wird vorzugsweise ein Natronkalkglas verwendet. Eine hochfrequente geglättete Wechselspannung, die an die Elektroden angelegt wird, erzeugt die Barriere-Entladung: die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass überwiegend negative Klein-Ionen produziert werden; durch geeignete Abstimmung der Materialien und der Wechselspannung wird die Bildung von Ozon weitgehend unterdrückt.
Der Energieverbrauch dieser Erfindung ist soweit optimiert worden, dass das nichtthermische Plasma netzunabhängig mit einer aufladbaren Lithium-Batterie erzeugt wird. Maßgeblich für den geringen Energieverbrauch ist die Ausführung der inneren Elektrode. Die innere Elektrode besteht aus einer Faserpackung; die Packung kann unterschiedlich verdichtet sein. Die Fasern sind leitfähig, ihr Durchmesser kann variieren. Üblicherweise werden Edelstahl- oder Graphit-Fasern verwendet.
Die hochfrequente geglättete Wechselspannung wird auf die Faserpackung mit einer Einzelelektrode oder mit einem gefächerten Elektroden-Bündel übertragen.
Der Trägerkörper aus Natronkalkglas hat vorzugsweise einen Durchmesser von 6,0–8,0 mm und eine Länge von 6,0–12 mm. Die Wanddicke beträgt vorzugsweise 0,8–1,2 mm. Die Gitterstäbe der gewölbt und konkav verlaufenden Außenelektrode betragen vorzugsweise 1,4–2,1 mm.
Als Innenelektrode dient vorzugsweise Edelstahlwolle, vorzugsweise mit einer Faserdicke von 0,01 bis 0,04 mm.
Durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung vorzugsweise zwischen 1400 und 1700 V wird durch den dünnen Trägerkörper aus Natronkalkglas der Entstehungsbereich von Mikroentladungen zwischen Natronkalkglas und Außenelektrode leicht gezündet, wobei zahlreiche Einzelfilamente sichtbar werden.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form einer Entladungsröhre. Darin haben die Bezugszeichen die folgenden Bedeutungen:
Bezugszeichenliste

1: Außenelektrode
2: Natronkalkglas
3: Isoliersockel
4: Innenelektrode
5: gewickelte Elektrode
6: fächerförmiges Elektrodenbündel
7: Entstehungsbereich von Mikroentladungen
8: Hochspannungskabel
9: Erdkontakt

Die Barriere (Dielektrikum) aus Natronkalkglas (2) vorzugsweise mit einer Dicke aus 0,8–1,2 mm ist als oben geschlossene, zylindrische Röhre ausgeführt (Entladeröhre). Die stark strukturierte Außenelektrode (1), üblicherweise ein feinmaschiges Gitter, liegt an der Barriere lose an und ist geerdet (9). Eine Packung aus Edelstahl-Fasern bildet die Innenelektrode (4); Packungsdichte und Faser-Durchmesser können variiert werden. Die Packung liegt sehr gleichmäßig am Natronkalkglas an und sorgt dadurch für ein sehr homogenes elektrisches Feld zwischen Innen- und Außenelektrode. Die Packung wird über das Hochspannungskabel (8) mit hochfrequenter geglätteter Wechselspannung von z. B. 1,7 kV und 25 kHz versorgt.
Hierdurch wird die Induktivität des Schwingungssystems verbessert und der Elektronenfluss gleichmäßig verteilt. Über die Dielektrizitätskonstante von Luft lässt sich diese leicht zünden, so dass der Entstehungsbereich von Mikroentladungen (7) zwischen der Oberfläche des Grundkörpers und der Außenelektrode (1) gut sichtbar wird.
Der Einsatz einer Faserpackung als Innenelektrode vermindert die elektrischen Verluste der Vorrichtung: das heißt, dass für die gleiche Ionisationsleistung weniger Energie aufgewendet werden muss. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Vorrichtung netzunabhängig mit einer wiederaufladbaren Batterie, vorzugsweise auf Lithium-Basis, zu betreiben.
Die Innenelektrode (4) ist entweder über eine Einzelelektrode (5) oder über ein fächerförmiges Elektroden-Bündel (6) und außerdem über ein Kabel (8) an die Hochspannungsquelle angeschlossen.
Die Barriere (2) sitzt auf einem Isoliersockel (3), der die Barriere unten gasdicht abschließt. Durch den Isoliersockel (3) wird das Hochspannungskabel (8) – ebenfalls gasdicht – eingeführt.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Radikalen und Oxidantien in sauerstoffhaltigen Gasen mittels nichtthermischer plasmachemischer Umsetzung, die folgendes umfasst: – eine stark strukturierte, geerdete Außenelektrode (1), – eine Innenelektrode (4), – ein Dielektrikum (2) das die Außenelektrode (1) und Innenelektrode (4) voneinander trennt, und – eine Einzelelektrode (5) oder ein fächerförmiges Elektrodenbündel (6) an einem Kabel (8), worüber die Innenelektrode (4) mit einer Hochspannungsquelle verbunden werden kann, wobei die Innenelektrode (4) aus einer Packung aus leitfähigen Fasern besteht und homogen über das Dielektrikum (2) verteilt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die in Form eines Stabes, eines Zylinders oder einer Platte ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die ferner eine auf dem Dielektrikum (2) bereitgestellte leitfähige Schicht umfasst.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1–3, wobei das Dielektrikum (2) aus Glas oder Keramiken hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Dielektrikum (2) aus Natronkalkglas hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Dielektrikum (2) die Form einer zylindrischen Röhre aufweist, die an ihrem oberen Ende geschlossen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Dielektrikum (2) eine Dicke von 0,8–1,2 mm aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Dielektrikum (2) eine Röhre mit einem Durchmesser von 6,0–8,0 mm und einer Länge von 6,0–12 mm ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 6–8, wobei das Dielektrium (2) unten gasdicht mit einem Isoliersockel (3) abgeschlossen ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenelektrode (4) aus Fasern aus Edelstahl oder Graphit hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Innenelektrode (4) aus Edelstahlfasern mit einer Dicke von 10–40 μm hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenelektrode (1) ein feinmaschiges Gitter ist, das lose an dem Dielektrikum (2) anliegt.
Verfahren zur Erzeugung von Radikalen und Oxidantien in sauerstoffhaltigen Gasen mittels nichtthermischer plasmachemischer Umsetzung, das das Anliegen einer geglätteten hochfrequenten Wechselspannung an die Elektroden (1) und (4) der Kondensatorvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1–13 umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die angelegte Spannung 1400–1700 V beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Spannung von einer wiederaufladbaren Batterie, vorzugsweise einer Batterie auf Lithiumbasis, geliefert wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 13–15 wobei die erzeugten Radikale und Oxidantien zu einem Zweck verwendet werden, der ausgewählt ist aus Sterilisation von Luft, Entfernung von Gerüchen und Verringerung, Zerstörung oder Entfernung von Teilchen, Bakterien, Sporen, Pollen oder Keimen.