DE102008006256A1

DE102008006256A1 - Baugruppe zur Erzeugung von Ozon

Info

Publication number: DE102008006256A1
Application number: DE200810006256
Authority: DE
Inventors: Jiri Holoubek
Original assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Current assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Baugruppe zur Erzeugung von Ozon, wobei mindestens ein elektrisch isolierender, dielektrischer Träger (1) vorgesehen ist, wobei die Rückseite (1a) und die Vorderseite (1b) des Trägers (1) mit elektrisch leitenden Strukturen (2, 3) versehen sind, und wobei die elektrisch leitenden Strukturen (2, 3) mit jeweils mindestens einer Isolationsschicht (4, 5) beschichtet sind. Die Erfindung beinhaltet, dass auf der Rückseite (1a) des Trägers (1) mindestens zwei flächige Elektroden (2a, 2b) angeordnet sind, und dass auf der Vorderseite (1b) des Trägers (1) mindestens zwei elektrisch miteinander verbundene Elektrodenstrukturen (3a, 3b) angeordnet sind, wobei die Elektrodenstrukturen (3a, 3b) aus geometrischen Elementen mit möglichst großem Verhältnis zwischen Kantenlänge und geometrischer Fläche gebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Baugruppe zur Erzeugung von Ozon, wobei mindestens ein elektrisch isolierender, dielektrischer Träger vorgesehen ist, wobei die Rückseite und die Vorderseite des Trägers mit elektrisch leitenden Strukturen versehen sind, und wobei die elektrisch leitenden Strukturen mit jeweils mindestens einer Isolationsschicht beschichtet sind.
Seit etwa 100 Jahren ist die Produktion von Ozon durch Herstellung eines Plasmas nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung bekannt. Oft wird die sog. Siemens-Röhre eingesetzt. Es wird in der Anwendung von technisch hergestelltem Ozon angestrebt, oxidierbare Luftbestandteile und patogene Keime durch Behandlung der Luft mit Sauerstoff-Ionen und mit Ozon (O₃ und O₁) zu zerstören. Bei der seit 1857 bekannten Siemens-Röhre wird an zwei Elektroden eine hohe Wechselspannung von z. B. 3 bis 6 kV angelegt, wodurch es zu elektrischen Entladungserscheinungen kommt. Insbesondere wird molekularer Luftsauerstoff (O₂) dissoziiert und es werden Ionen und Ozon (O₁, O₃) erzeugt.
Aus der Offenlegungsschrift WO 98/26482 ist ein nach dem gleichen physikalischen Prinzip aufgebautes flaches Modul bekannt, bei dem eine Elektrode zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen ist. Ein Metall-Gitter bzw. Metallnetz bedeckt die äußeren, der Luft zugänglichen Glasflächen und bildet eine äußere Elektrode. Die hohe Wechselspannung wird an die äußere und eine innere Elektrode angeschlossen, wobei das Erdpotential stets außen ist bzw. an jener Seite, welche berührt werden könnte.
Nachteilig bei dieser Konstruktion als auch bei der bekannten Siemens-Röhre ist der relativ große und kostenintensive Aufbau, weil die äußere und die innere Elektrode fest und ohne Abstände auf einem Glasdielektrikum aufliegen müssen. Eine industrielle, kostengünstige Fertigung dieser Module ist schwierig oder gar unmöglich. Außerdem lässt die Wirksamkeit nach, wenn die Oberfläche der Gläser und die Strukturen zwischen den äußeren Drahtnetzen verschmutzt sind.
Die Funktion der dielektrisch behinderten elektrischen Entladung lässt sich wie folgt erklären: Zwischen den an eine hohe Wechselspannung (z. B. 5 kV, 30 kHz) angeschlossenen Elektroden befindet sich ein Dielektrikum, zumeist aus Glas. Die allgemeine Funktion der beiden dielektrischen Barrieren besteht darin, die Bewegung der Elektronen zur Elektrode zu behindern und schließlich zu unterbrechen. Die Elektronen werden nämlich in ihrer Bewegung zur Anode durch das Dielektrikum nicht nur aufgehalten, sondern aufgestaut, wodurch sich ein Gegenfeld zu dem den Elektronenstrom treibenden äußeren Feld aufbaut, das seinerseits solange anwächst, bis sich das äußere Feld und das Gegenfeld gerade kompensieren. Durch entsprechende Parameter lassen sich extrem schnelle, vor allem aber auch zuverlässige Entladungsunterbrechungen realisieren, welche in den dielektrisch behinderten Entladungen von essentieller Bedeutung sind. Sie tragen wesentlich dazu bei, dass sich das Entladungsplasma nicht sprunghaft in Richtung thermisches Gleichgewicht entwickelt. Das Gegenteil soll nämlich erreicht werden: Es sollen möglichst viele schnelle Elektronen erzeugt werden, die ihre kinetische Energie durch nichtelastische Stöße gezielt auf die atomaren Zustände übertragen, die am effektivsten zur gewünschten Plasma- und Ozonerzeugung beitragen, wobei der Energietransfer durch Elektronenstöße in Verlustkanälen so gering wie möglich gehalten werden soll. Das resultierende Erscheinungsbild der Entladungen bei für Anwendungsfälle relevante Leistungsdichten ist geprägt durch das Entstehen von Einzelentladungen, den sog. Filamenten. Diese Filamente treten kurzzeitig und in großer Anzahl auf. Sie sind normalerweise über die gesamte Elektrodenfläche verteilt und besitzen sowohl lokal als auch zeitlich einen stochastischen Charakter. Physikalisch lässt sich das Phänomen so beschreiben: Mit zunehmender äußerer Spannung liegen irgendwo im Entladungsbereich zu nicht vorhersehbaren Zeitpunkten Bedingungen vor, die zu lokal begrenzten Entladungen führen. Durch die dielektrische Behinderung der Elektroden verlöschen diese Entladungen kurz nach ihrem Entstehen aufgrund der lokalen Gegenfelder (Spiegelladungen). Weitere, nachfolgende Einzelentladungen entstehen und verlöschen nach dem gleichen Prinzip. Meist fällt auf, dass die an den äußeren Drahtgittern sich befindenden Filamente relativ klein sind: Das Dielektrikum ist von der rückwärtigen Elektrode und der äußeren, als Drahtgitter ausgebildeten Elektrode eingeschlossen. Bei der Entladung lassen sich die leuchtenden Filamente in direkter Umgebung der Drähte beobachten, die dem Dielektrikum zustreben. Die Länge der Filamente ist nur wenige 1/10-mm lang.
Der Nachteil der mit Drahtnetzen arbeitenden tradierten Technik ist ferner, dass die Drähte mit einem Mindestabstand (die Maschenweite) zueinander angeordnet werden müssen. Werden die Maschen zu klein, behindern sich die Ladungen gegenseitig, und überdies können Ozon und Sauerstoffionen nicht frei in die Umgebungsluft abtransportiert werden. Ideal wäre eine Struktur, welche praktisch flächig Filamente hervorbringen würde, welche dann in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft stehen würden.
Wünschenswert wäre dabei weiter, dass das elektrische Wechselfeld in den Raum hinein ragen würde. Dies, weil bekannt ist, dass in einem schnellen elektrischen Wechselfeld insbesondere polare Moleküle dissoziiert werden.
Bekannt – etwa aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 31 366 A1 – sind flache Baugruppen nach dem prinzipiellen Funktion der dielektrisch behinderten Entladung, bei denen ein flacher, keramischer Träger auf der Rückseite (backplane) eine durchgehende elektrisch leitfähige Beschichtung trägt und auf der Vorderseite schmale Elektroden trägt, welche durch eine Abdeckung aus Glas abgedeckt ist. Die Funktion beruht darauf, dass bei der kapazitiven Umladung hohe elektrische Felder an den Kanten der direkt auf dem Substrat befindlichen Platin-Elektrode bilden. Diese Felder regen Elektronen der äußeren, mit z. B. Barium-Oxid dotierten Glasschicht an. Die außen zu beobachtenden Einzelladungen sind keine Entladungen – wie bei der Siemensröhre – zwischen backplane und Elektrode an der Vorderseite, sondern Anregungszustände, welche vom an den Kanten bei Umladungsprozessen entstehenden elektrischen Feldes ausgehen.
Nachteilig bei allen bekannten flachen Ozonerzeugern ist, dass die auf der Vor- und auf der Rückseite bestehenden Elektroden jeweils kontaktiert einzeln werden müssen. Die Kontaktierung auf der Vorderseite, also jener Seite, auf der Ozon erzeugt wird, hat systematische Nachteile, wie etwa die Neigung der Lötstellen, unter Ozoneinfluss zu versintern sowie die damit notwendige Kabelführung zu der Hochspannungsquelle. Weil die Vorderseite verschiedener Umweltbedingungen ausgesetzt werden muss, droht hier auch Gefahr von Kurzschlüssen bzw. Oberflächendurchschlägen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Baugruppe zur Erzeugung von Ozon vorzuschlagen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der Rückseite des Trägers mindestens zwei flächige Elektroden angeordnet sind, und dass auf der Vorderseite des Trägers mindestens zwei elektrisch miteinander verbundene Elektrodenstrukturen angeordnet sind, wobei die Elektrodenstrukturen aus geometrischen Elementen mit möglichst großem Verhältnis zwischen Kantenlänge und geometrischer Fläche gebildet sind. Die Elektrodenstruktur besteht zumindest aus zwei geometrischen Elementen. Es kann auch eine Vielzahl an Elementen gegeben sein. Das Ozon wird dabei vorzugsweise aus Luft erzeugt, wobei die Energie zur Erzeugung durch das Anlegen einer Wechselspannung bereitgestellt wird. Insbesondere handelt es sich somit um eine flache Baugruppe bzw. um eine flache Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon. Die einzelnen, für die Erzeugung des Ozons aktiven Elemente sind dabei insbesondere flächige Elektroden bzw. Elektrodenstrukturen, welche passend mit hohen Spannungen beaufschlagbar sind. Insbesondere sind sie jeweils flächig ausgestaltet und weisen beispielsweise eine vollflächige oder eine gitterähnliche Ausgestaltung auf. In einer Ausgestaltung ergeben sich insbesondere durch die einander gegenüberliegenden Elektrodenstrukturen bzw. Elektroden Kondensatoren, durch welche über das Anlegen der Hochspannung das Ozon erzeugt wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die auf der Vorderseite angeordneten Elektrodenstrukturen derartig ausgestaltet sind, dass das Verhältnis zwischen der Kantenlänge und dem vierfachen Wert der Wurzel der geometrischen Fläche im Wesentlichen größer als 2 ist. In einer Ausgestaltung sind dabei die auf der Rückseite angeordneten Elektroden kongruent, d. h. im Wesentlichen mit der gleichen Geometrie ausgestaltet. Unter Kantenlänge L sei dabei die Summe aller Kanten der Außenumrandung der Elektrodenstruktur verstanden. S ist die Fläche und in dieser Ausgestaltung ist somit das Verhältnis R zwischen der Kantenlänge L und dem Vierfachen der Wurzel der Fläche S definiert als R = L/(4·Wurzel(S)). Dieses Verhältnis sei dabei im Wesentlichen größer als 2 (R > = 2).
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die auf der Vorderseite angeordnete Elektrodenstruktur aus mindestens zwei miteinander verbundenen gitterförmigen Strukturen besteht, welche mit den mindestens zwei auf der Rückseite angeordneten flächigen Elektroden elektrische Kondensatoren bilden. Auf der Vorderseite sind somit zumindest zwei gitterförmige Strukturen vorgesehen, welche derartig ausgestaltet und auf die mindestens zwei auf der Rückseite angeordneten flächigen Elektroden abgestimmt sind, dass sich jeweils Kondensatoren bilden.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die auf der Vorderseite angeordnete Elektrodenstruktur aus mindestens zwei miteinander verbundenen Strukturen besteht, welche mit den mindestens zwei auf der Rückseite angeordneten flächigen Elektroden elektrische Kondensatoren bilden, wobei mindestens eine dieser miteinander verbundenen, auf der Vorderseite angeordneten Strukturen aus einer Vielzahl geometrischer Elemente mit möglichst großem Verhältnis zwischen Kantenlänge und geometrischer Fläche gebildet ist, und wobei die auf der Rückseite angeordnete flächige Elektrode, mit welcher die mindestens eine auf der Vorderseite angeordnete Struktur einen elektrischen Kondensator bildet, eine kompakte Form und eine grössere Fläche als die Struktur aufweist Die kompakte Form bedeutet dabei beispielsweise, dass es sich um eine vollständig geschlossene Fläche handelt, welche insbesondere nicht gitterförmig ist. Die Elektrode weist dabei eine größere Fläche als die auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete Elektrodenstruktur auf, mit der zusammen die Elektrode einen Kondensator bildet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die auf der Vorderseite aufgebrachte Elektrodenstruktur aus mindestens zwei miteinander verbundenen Strukturen besteht, wobei eine Struktur aus einer parallel zu den Kanten des Trägers verlaufenden Struktur besteht, welche mit einer kongruent auf der Rückseite angeordneten Elektrode einen elektrischen Kondensator bildet, welcher eine höhere Kapazität aufweist als ein Kondensator, welcher gebildet wird von einer in der Mitte der Vorderseite verlaufenden Struktur aus einer Vielzahl geometrischer Elementen mit möglichst großem Verhältnis zwischen geometrischer Fläche und Kantenlänge und einer auf der Rückseite kongruent angeordneten Elektrode.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die auf der Vorderseite aufgebrachte Elektrodenstruktur aus mindestens zwei Strukturen besteht, und dass mindestens eine der mindestens zwei Strukturen im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet ist. In einer Ausgestaltung sind die mindestens zwei Strukturen miteinander verbunden. Ferner sind die mindestens zwei Strukturen in einer Ausgestaltung beide derartig ausgestaltet, dass sie im Wesentlichen rechteckig sind. Dabei sei rechteckig derartig verstanden, dass die Fläche, welche die Strukturen bedeckt, im Wesentlichen rechteckig ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine der auf der Rückseite angeordneten Elektroden im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die auf der Vorderseite aufgebrachte Elektrodenstruktur aus mindestens zwei Strukturen besteht, und dass mindestens eine der mindestens zwei Strukturen derartig ausgestaltet ist, dass sich ein im Wesentlichen offener Bereich im Inneren der Struktur ergibt. Die Struktur ist beispielsweise derartig ausgestaltet, dass sie mit ihrem Außenbereich eine rechteckige Fläche bedeckt und dass im Innenbereich beispielsweise eine ebenfalls rechteckige Fläche „fehlt". Dies erlaubt beispielsweise, dass die andere Struktur in der freien Innenfläche der Struktur angeordnet ist. Die Struktur ist somit „ringähnlich". In einer Ausgestaltung verläuft dieser eckige „Ring" dabei entlang des Randes des Trägers.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine der auf der Rückseite angeordneten Elektroden derartig ausgestaltet ist, dass sich ein im Wesentlichen offener Bereich im Inneren der Elektrode ergibt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die auf der Vorderseite angeordneten Strukturen und die auf der Rückseite angeordneten flächigen Elektroden, welche jeweils zusammen einen elektrischen Kondensator bilden, derartig ausgestaltet sind, dass sie im Wesentlichen kongruent sind. Die zugehörigen Strukturen bzw. Elektroden haben somit eine ähnliche Ausgestaltung, indem sie beispielsweise strukturell ähnliche Flächen auf dem Träger bedecken.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Siemens-Röhre des Standes der Technik zur Produktion von Ozon,
2: ein flaches Modul des Standes der Technik,
3: der prinzipielle Aufbau des Standes der Technik,
4: ein erfindungsgemäßer Aufbau der flachen Baugruppe,
5 und 6: elektrische Ersatzschaltbilder der Ausgestaltung der 4,
7: eine Elektrodenstruktur der erfindungsgemäßen flachen Baugruppe, und
8: eine weitere Geometrie der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur.
Die seit 1857 bekannte Siemens-Röhre ist wie in 1 aufgebaut:
Ein röhrenförmiger Glaskörper 12 – vorzugsweise aus Borosilikat oder aus Quarzglas – ist innen mit einer oft netzförmigen Elektrode 13 ausgekleidet. Die aus leitfähigem Material bestehende Elektrode 13 liegt eng und möglichst ohne Luftspalt an der inneren Glasoberfläche der Röhre 12 an. Die äußere Hülle der Röhre 12 bildet ein ebenfalls eng anliegendes Netz aus z. B. Stahlgewebe, welches die äußere Elektrode 11 darstellt. Wird eine hohe Wechselspannung von z. B. 3 bis 6 kV an die innere 13 und die äußere Elektrode 11 angelegt, kommt es zu elektrischen Entladungserscheinungen. Dabei wird molekularer Luftsauerstoff (O₂) dissoziiert und es werden Ionen und Ozon (O₁, O₃) erzeugt.
In der 2 ist ein nach dem gleichen physikalischen Prinzip arbeitendes flaches Modul dargestellt, bei dem eine Elektrode zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen ist. Ein Metall-Gitter, bzw. Metallnetz bedeckt die äußeren, der Luft zugänglichen Glasflächen und bildet die äußere Elektrode 11. Die hohe Wechselspannung wird an die äußere 11 und innere Elektrode 13 angeschlossen, wobei erfindungsgemäß das Erdpotential stets außen ist, bzw. an jener Seite, welche berührt werden könnte. Nachteilig bei dieser Konstruktion als auch bei der bekannten Siemens-Röhre ist der relativ große und kostenintensive Aufbau, weil die äußere 11 und die innere Elektrode 13 fest und ohne Abstände auf dem Glasdielektrikum 12 aufliegen muss. Die Funktion der dielektrisch behinderten elektrischen Entladung lässt sich wie folgt erklären: Zwischen den an eine hohe Wechselspannung (z. B. 5 kV, 30 kHz) angeschlossenen Elektroden 11, 13 befindet sich ein Dielektrikum 12, zumeist aus Glas. Die allgemeine Funktion der beiden dielektrischen Barrieren besteht darin, die Bewegung der Elektronen zur Elektrode 11, 13 zu behindern und schließlich zu unterbrechen. Die Elektronen 11, 13 werden nämlich in ihrer Bewegung zur Anode durch das Dielektrikum 12 nicht nur aufgehalten, sondern aufgestaut, wodurch sich ein Gegenfeld zu dem den Elektronenstrom treibenden äußeren Feld aufbaut, das seinerseits solange anwächst, bis sich das äußere Feld und das Gegenfeld gerade kompensieren und der Elektronenstrom entsprechenden Parameter lassen sich extrem schnelle, vor allem aber auch zuverlässige Entladungsunterbrechungen realisieren. Diese sind in den dielektrisch behinderten Entladungen von essentieller Bedeutung. Sie tragen wesentlich dazu bei, dass sich das Entladungsplasma nicht sprunghaft in Richtung thermisches Gleichgewicht entwickelt. Das Gegenteil soll nämlich erreicht werden: Es sollen möglichst viele schnelle Elektronen erzeugt werden, die ihre kinetische Energie durch nichtelastische Stöße gezielt auf die atomaren Zustände übertragen, die am effektivsten zur gewünschten Plasma – und Ozonerzeugung beitragen, wobei der Energietransfer durch Elektronenstöße in Verlustkanälen so gering wie möglich gehalten werden soll. Das resultierende Erscheinungsbild der Entladungen bei für Anwendungsfälle relevanten Leistungsdichten ist geprägt durch das Entstehen von Einzelentladungen, den sogenannten Filamenten. Diese Filamente treten kurzzeitig und in großer Anzahl auf. Sie sind normalerweise über die gesamte Elektrodenfläche verteilt und besitzen sowohl lokal als auch zeitlich einen stochastischen Charakter. Physikalisch lässt sich das Phänomen so beschreiben:
Mit zunehmender äußerer Spannung liegen irgendwo im Entladungsbereich zu nicht vorhersehbaren Zeitpunkten Bedingungen vor, die zu lokal begrenzten Entladungen führen. Durch die dielektrische Behinderung der Elektroden verlöschen diese Entladungen kurz nach ihrem Entstehen aufgrund der lokalen Gegenfelder (Spiegelladungen). Weitere, nachfolgende Einzelentladungen entstehen und verlöschen nach dem gleichen Prinzip. Betrachtet man die an äußeren Drahtgittern sich befindenden Filamente, fällt auf, dass diese entsprechend 2 relativ klein sind:
Das Dielektrikum 12 ist von der rückwärtigen Elektrode – hier immer noch betrachtet im Zusammenhang mit der Siemens-Röhre als innere Elektrode – 13 und der äußeren, als Drahtgitter ausgebildeten Elektrode 11 eingeschlossen. Bei der Entladung lassen sich die leuchtenden Filamente 14 in direkter Umgebung der Drähte beobachten, die dem Dielektrikum 12 zustreben. Die Länge der Filamente 14 ist nur wenige 1/10-mm lang.
Der Nachteil der mit Drahtnetzen arbeitenden tradierten Technik ist ferner, dass die Drähte mit einem Mindestabstand (die Maschenweite) zueinander angeordnet werden müssen. Werden die Maschen zu klein, behindern sich die Ladungen gegenseitig, und überdies können Ozon und Sauerstoffionen nicht frei in die Umgebungsluft abtransportiert werden. Ideal wäre eine Struktur, welche praktisch flächig Filamente hervorbringen würde, welche dann in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft stehen würden.
Wünschenswert wäre dabei weiter, dass das elektrische Wechselfeld in den Raum hinein ragen würde. Dies, weil bekannt ist, dass in einem schnellen elektrischen Wechselfeld insbesondere polare Moleküle dissoziiert werden.
Der prinzipielle Aufbau des Standes der Technik von flachen Baugruppen ist in 3 beschrieben. Dabei trägt der Träger 1 aus Keramik oder einem vergleichbarem dielektrischen Material auf der Rückseite 1a eine elektrisch leitende Schicht als Elektrode 2, welche als homogene und dünne Deckschicht ausgeführt werden oder zur Minimierung der elektrischen Kapazität als netzförmige Elektrode ausgeführt sein kann. Auf der Vorderseite 1b befinden sich linienförmige, dünne Elektroden 3, welche in verschiedenen Geometrien ausgeführt werden können. Die auf der Vorderseite 1b befindlichen Elektroden 3 werden mit einer dünnen und elektrisch isolierenden Schicht 4 abgedeckt, welche mit Materialien „verunreinigt" ist, welche eine niedrige Elektronenaustrittsarbeit haben. In diesem Zusammenhang haben sich mit Metalloxiden wie Bariumoxid legierte Gläser bewährt. Die Rückseite 1a wird zur Vermeidung von unkontrollierten Entladungen mit einer isolierenden Masse 5 abgedeckt. In Frage kommt z. B. reines Glas mit guten Isolatoreigenschaften Die Kontaktierungen 6 zu den Elektroden 2 und 3 dienen dem Verbinden der Elektroden 2, 3 mit einer Hochspannungsquelle 7 (z. B. 5 kV – Spitze-Spitze-Wechselspannung).
Das erfinderische Prinzip ist in 4 beschrieben: Die rückwärtige Elektrode 2 besteht nicht aus einer durchgehenden Schicht, sondern aus zwei Elektroden 2a und 2b, welche jeweils mit der Elektrode 3 auf der Vorderseite 1b einen elektrischen Kondensator bilden (siehe als elektrisches Ersatzschaltbild die 5 und 6). Erfindungsgemäß sind somit quasi zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet.
Die Funktion ist wie folgt: Bei Anlegen einer Spannung an die beiden rückwärtigen Elektroden 2a, 2b wird ein kapazitiver Stromkreis gekoppelt über die Elektrode 3 auf der Vorderseite 1b. In Folge der angelegten hohen Wechselspannung (mindestens 4,5 kV Spitze-Spitze mit 30 kHz bei einer Dicke der Keramikplatte als Träger von 0,4 mm) bilden sich an den Kanten der vorderseitigen Elektrode 3 hohe elektrische Felder aus. Diese elektrischen Felder teilen sich den in der isolierenden Glasschicht 4 befindlichen Metalloxiden mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit mit und bringen diese in einen Zustand erhöhter Anregung. Insofern wird das an den Kanten befindliche elektrische Feld praktisch verstärkt und führt dazu, dass auf der luftseitigen Oberfläche der isolierenden Glasschicht 4 ein sehr hohes elektrisches Feld auf die Luftmoleküle einwirkt. Es kommt zu lokalen Entladungen, welche sich in einem kurzzeitigen kalten Plasma manifestiert, in welchem Sauerstoffmoleküle (O₂) dissoziiert werden. Die unter Einwirkung der im Plasma vorhandenen energetischen Prozesse entstehenden Sauerstoffatome (O₁) rekombinieren sich zu dem dreiatomigen Sauerstoff (O₃ = Ozon). Um aus zweiatomigem Sauerstoff (O₂) dreiatomigen Sauerstoff (O₃) zu erzeugen, muss durch Energiezufuhr der stabile zweiatomige Sauerstoff zerstört werden, damit sich aus dem monoatomaren Sauerstoff O₁ im Anschluss O₃ rekombinieren kann.
Dieser Prozess bedarf der Energiezufuhr.
Zur Erzeugung von 1 g reinem Ozon ist ein Energieäquivalent von etwa 1,7 Wh notwendig. Zur Vermeidung dielektrischer Verluste und zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Anordnung wird in der bevorzugten Ausführung dafür Sorge getragen, die elektrische Kapazität der Anordnung so klein wie eben möglich zu halten.
Dies erfolgt dadurch, dass die linienförmigen Elektroden auf der Oberseite so schmal wie möglich ausgeführt sind um ein möglichst hohes Verhältnis zwischen Fläche der Elektroden und deren Kantenlänge zu erzeugen. Die Geometrie der Elektroden ist somit derartig ausgewählt, dass das Verhältnis zwischen Umfang L und Fläche S der Elektroden möglichst groß ist.
Insbesondere sollte somit der oben definierte Wert
möglichst groß sein oder zumindest größer oder gleich zwei sein. Insbesondere weisen dabei die Elektroden eine rechteckige Form auf.
Vorteilhaft ist eine Struktur wie in 7 beschrieben. Dabei bilden die Strukturen der Elektrode 3 auf der Vorderseite eine Art Gitter. Rechts und links der das Gitter bildenden Linien bilden sich Entladungsstrukturen einer bestimmten Breite, – üblicherweise ca. +/–1 mm – aus. Insgesamt weisen die beiden Elektroden 3a, 3b auf der Vorderseite 1b jeweils eine rechteckige Form auf. Beide Elektroden 3a, 3b sind dabei durch eine Art Steg elektrisch miteinander verbunden. Auf der Rückseite 1a sind gestrichelt die dortigen Elektroden 2a, 2b angedeutet, welche hier ebenfalls rechteckig sind und zumindest die gleiche Fläche wie die vorderseitigen Elektroden 3a, 3b aufweisen. Hier sind die rückwärtigen Elektroden 2a, 2b derartig ausgestaltet, dass sie eine größere Fläche als die vorderseitigen Elektroden 3a, 3b aufweisen. Die rückwärtigen Elektroden 2a, 2b sind hier insbesondere kompakt ausgestaltet, d. h. vor allem, dass sie nicht gitterartig sind. Beispielsweise sind die vollflächig ausgestaltet.
Daher ist der Mindestabstand der das Gitter bildenden Linien inklusive eines gewissen Sicherheitsabstandes ca. 3 mm. Parallel zu den gekreuzten Linien des Gitters bildet sich auf der Oberfläche der Abdeckschicht die gewünschte Plasmabildung.
Bei sinnvoller Dimensionierung (z. B. einer Keramikplatte als Träger mit einer Dicke von 0,4 mm, einer Wechselspannung größer 4,5 kV Spitze-Spitze mit einer Frequenz von 30 kHz) im Sinne der Lehre dieser Erfindung bildet sich auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Baugruppe ein weitgehend homogenes und aktiv leuchtendes Plasma aus elektrischen Einzelentladungen und ist im Ergebnis eine Maximierung der Luftmoleküle dissoziierenden elektrischen Entladungsaktivität.
In 8 ist eine Geometrie beschrieben, bei welcher vorteilhaft die in der Nähe der Kante des Trägermoduls 1 bestehende elektrische Spannung relativ niedrig ist.
Dabei wird ein Kondensator zwischen einer parallel zu den äußeren Kanten des Moduls umlaufende Elektrode sowohl auf der hinteren 2a und auf der vorderen 3a Seite des Trägers 1 gebildet. Der entstehende Kondensator umfasst somit quasi als Rand den Träger 1. Die hintere Seite wird elektrisch an die Hochspannungsquelle 7 angeschlossen, jedoch gleichzeitig geerdet. Von dieser umlaufenden Elektrode 3a wird eine elektrische Verbindung zu einer bevorzugt gitterförmigen Arbeitselektrode 3b hergestellt, welche von der umlaufenden Elektrode, d. h. quasi in deren Mitte, eingerahmt wird. Das Verhältnis zwischen Flächen der beiden Teile 3a und 3b der oberen Elektrode ist maximal. Der Arbeitselektrode 3b gegenüber liegt auf der Rückseite eine flächige zweite Elektrode 2b, welche an dem anderen Pol der Hochspannungsquelle 7 angeschlossen ist. Ein Kondensator wird somit aus den beiden im Wesentlichen rechteckigen Elektroden auf der Vorder- 3b und Rückseite 2b in der Mitte des Trägers 1 gebildet. Der zweite Kondensator besteht aus den längs des Randes des Trägers angeordneten und die rechteckige Aussparung in der Mitte aufweisenden Elektroden 3a, 2a.
Vorteilhaft ist, dass sich in der Nähe der Kanten keine gefährliche Hochspannung befindet und dass die Fähigkeit zur Abstrahlung elektromagnetischer Störungen durch die Wahl der erfindungsgemäßen Geometrie minimiert ist, ohne dass dies die Funktion der Anordnung beeinflusst.
Allen Variationen ist die hier offenbarte erfindungsgemäße Lehre zueigen, dass die Zuführung elektrischer Energie nur von einer Seite der Baugruppe aus erfolgt und dass die mindestens zwei Elektroden auf der Rückseite der Baugruppe und die mindestens eine Elektrodenanordnung auf der Vorderseite elektrisch wie in Reihe geschaltete Kondensatoren wirken.

1: Träger
1a: Rückseite
1b: Vorderseite
2: Rückwärtige Elektrode
2a: Elektrode
2b: Elektrode
3: Vorderseitige Elektrode
3a: Elektrode
3b: Elektrode
4: Isolationsschicht
5: Isolationsmasse
6: Kontaktierung
7: Spannungsquelle
11: Äußere Elektrode
12: Glaskörper
13: Innere Elektrode
14: Filamente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 98/26482 [0003]
- DE 19931366 A1 [0008]

Claims

Baugruppe zur Erzeugung von Ozon, wobei mindestens ein elektrisch isolierender, dielektrischer Träger (1) vorgesehen ist, wobei die Rückseite (1a) und die Vorderseite (1b) des Trägers (1) mit elektrisch leitenden Strukturen (2, 3) versehen sind, und wobei die elektrisch leitenden Strukturen (2, 3) mit jeweils mindestens einer Isolationsschicht (4, 5) beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite (1a) des Trägers (1) mindestens zwei flächige Elektroden (2a, 2b) angeordnet sind, und dass auf der Vorderseite (1b) des Trägers (1) mindestens zwei elektrisch miteinander verbundene Elektrodenstrukturen (3a, 3b) angeordnet sind, wobei die Elektrodenstrukturen (3a, 3b) aus geometrischen Elementen mit möglichst großem Verhältnis zwischen Kantenlänge und geometrischer Fläche gebildet sind.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Vorderseite (1b) angeordneten Elektrodenstrukturen (3a, 3b) derartig ausgestaltet sind, dass das Verhältnis zwischen der Kantenlänge und dem vierfachen Wert der Wurzel der geometrischen Fläche im Wesentlichen größer als 2 ist.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Vorderseite (1b) angeordnete Elektrodenstruktur (3) aus mindestens zwei miteinander verbundenen gitterförmigen Strukturen (3a, 3b) besteht, welche mit den mindestens zwei auf der Rückseite (1a) angeordneten flächigen Elektroden (2a, 2b) elektrische Kondensatoren bilden.
Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Vorderseite (1b) angeordnete Elektrodenstruktur (3) aus mindestens zwei miteinander verbundenen Strukturen (3a, 3b) besteht, welche mit den mindestens zwei auf der Rückseite (1a) angeordneten flächigen Elektroden (2a, 2b) elektrische Kondensatoren bilden, wobei mindestens eine dieser miteinander verbundenen, auf der Vorderseite (1b) angeordneten Strukturen (3a, 3b) aus einer Vielzahl geometrischer Elemente mit möglichst großem Verhältnis zwischen Kantenlänge und geometrischer Fläche gebildet ist, und wobei die auf der Rückseite (1a) angeordnete flächige Elektrode (2a, 2b), mit welcher die mindestens eine auf der Vorderseite (1b) angeordnete Struktur (3a, 3b) einen elektrischen Kondensator bildet, eine kompakte Form und eine grössere Fläche als die Struktur (3a, 3b) aufweist.
Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Vorderseite (1b) aufgebrachte Elektrodenstruktur (3) aus mindestens zwei miteinander verbundenen Strukturen (3a, 3b) besteht, wobei eine Struktur (3a) aus einer parallel zu den Kanten des Trägers (1) verlaufenden Struktur besteht, welche mit einer kongruent auf der Rückseite (1a) angeordneten Elektrode (2a) einen elektrischen Kondensator bildet, welcher eine höhere Kapazität aufweist als ein Kondensator, welcher gebildet wird von einer in der Mitte der Vorderseite (1b) verlaufenden Struktur (3b) aus einer Vielzahl geometrischer Elementen mit möglichst großem Verhältnis zwischen geometrischer Fläche und Kantenlänge und einer auf der Rückseite (1a) kongruent angeordneten Elektrode (2b).
Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Vorderseite (1b) aufgebrachte Elektrodenstruktur (3) aus mindestens zwei Strukturen (3a, 3b) besteht, und dass mindestens eine der mindestens zwei Strukturen (3a, 3b) im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet ist.
Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der auf der Rückseite (1a) angeordneten Elektroden (2a, 2b) im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet ist.
Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Vorderseite (1b) aufgebrachte Elektrodenstruktur (3) aus mindestens zwei Strukturen (3a, 3b) besteht, und dass mindestens eine der mindestens zwei Strukturen (3a) derartig ausgestaltet ist, dass sich ein im Wesentlichen offener Bereich im Inneren der Struktur (3a) ergibt.
Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der auf der Rückseite (1a) angeordneten Elektroden (2a) derartig ausgestaltet ist, dass sich ein im Wesentlichen offener Bereich im Inneren der Elektrode (2a) ergibt.
Baugruppe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Vorderseite (1b) angeordneten Strukturen (3a, 3b) und die auf der Rückseite (1a) angeordneten flächigen Elektroden (2a, 2b), welche jeweils zusammen einen elektrischen Kondensator bilden, derartig ausgestaltet sind, dass sie im Wesentlichen kongruent sind.