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Die Erfindung betrifft einen Plasmaerzeuger, der ein eine Innenelektrode umgebendes rohrförmiges Dielektrikum aufweist, auf dessen Mantelfläche eine Außenelektrode angeordnet ist.
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Seit mehr als 100 Jahren ist die Plasmabehandlung von Luft nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung bekannt. Großvolumige nichtthermische Plasmen lassen sich einfach mit Hilfe der dielektrisch behinderten Entladung erzeugen. Zwischen den an eine hohe Wechselspannung angeschlossenen Elektroden befindet sich das Dielektrikum, zumeist aus Glas. Das Dielektrikum behindert die Bewegung der Elektroden und unterbricht sie schließlich. Die Elektroden werden in ihrer Bewegung zur Anode durch das Dielektrikum nicht nur aufgehalten, sondern aufgestaut, wodurch sich ein Gegenfeld zu dem den Elektrodenstrom treibenden äußeren Feld aufbaut, das seinerseits so lange anwächst, bis sich das äußere Feld und das Gegenfeld gerade kompensieren und der Elektrodenstrom zum Erliegen kommt. Die Schalteigenschaften der dielektrischen Barriere resultieren aus der Form und dem Material der Barriere sowie der Anordnung der Innen- und Außenelektrode. Das Erscheinungsbild der Entladung ist durch das Entstehen von Einzelentladungen, den so genannten Filamenten, geprägt. Diese Filamente treten kurzzeitig in großer Anzahl auf. Sie sind normalerweise über die gesamte Fläche der plasmaerzeugenden Elektrode verteilt.
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Als Plasmaerzeuger zur oxidativen Behandlung von Luft wird insbesondere die so genannte ”Siemens-Röhre” eingesetzt. Die Siemens-Röhre besteht aus einem rohrförmigen Dielektrikum, vorzugsweise aus Quarzglas oder Bor-O-Silikat. Die Innenwand des rohrförmigen Dielektrikums ist mit einer Innenelektrode ausgekleidet. Die aus leitfähigem Material bestehende Innenelektrode liegt eng und möglichst ohne Luftspalt an der inneren Glasoberfläche an. Auf der Mantelfläche des Dielektrikums ist eine Außenelektrode angeordnet, die von einem eng anliegenden Netz, zum Beispiel aus Stahlgewebe, gebildet wird. Wird nun eine hohe Wechselspannung von beispielsweise 3–6 KV an die Innen- und Außenelektrode angelegt, kommt es zu der dielektrisch behinderten Entladung. Dabei werden Ionen und Ozon (O3 und O1) erzeugt.
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Bei der Plasmabehandlung eines Gasstroms mit einer ”Siemens-Röhre” wird ein Luftstrom durch das rohrförmige Dielektrikum geführt. Zu diesem Zweck wird an der Innenelektrode ein Plasma gezündet. Das Plasma an der Innenelektrode entsteht nur in den äußeren Schichten der Luftströmung, die unmittelbar mit der Innenelektrode in Kontakt gelangen. Der weitaus größere Teil der Luftströmung reagiert lediglich mit dem Ozon und den Sauerstoff-Ionen, die bei der Entladung erzeugt werden.
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Die äußeren Schichten der Luftströmung, die unmittelbar mit dem Plasma in Kontakt gelangen, werden wirksamer von Schadstoffen, insbesondere von Gerüchen und Keimen befreit, weil im Plasma die höchste Energie in Form von freien Elektronen, Radikalen und Ionen vorliegt. Des Weiteren erzeugt das Plasma eine intensive UV-Strahlung im Wellenlängenbereich < 300 nm, die molekulare Bindungen von Luftschadstoffen wirkungsvoll aufbrechen kann.
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Ein weiteres Problem bei der Plasmabehandlung eines Gasstroms nach dem Stand der Technik besteht darin, dass die Innenelektrode durch in dem Gasstrom enthaltene Schadstoffe schnell verschmutzt und damit an Wirksamkeit verliert. Ein Austausch der verschmutzten Innenelektrode ist nur mit hohem Aufwand und einer Unterbrechung der Plasmabehandlung möglich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Plasmaerzeuger zu schaffen, der bei mit einer Siemens-Röhre vergleichbaren Abmessungen eine größere plasmaerzeugende Oberfläche aufweist, dessen Kontaktierung der Elektroden mit einer Spannungsquelle oder -stromquelle verbessert und der infolge dessen einfacher dort positioniert werden kann, wo das erzeugte Plasma zur Entkeimung und/oder Geruchsneutralisierung benötigt wird und dessen plasmaerzeugende Elektrode leichter gereinigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Plasmaerzeuger der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die Innenelektrode mindestens zwei dielektrisch zueinander abgeschirmte Teile aufweist, die in dem Dielektrikum eingeschlossen und mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar sind, wobei eine Spannung in der plasmaerzeugende Außenelektrode induziert wird. Vorzugsweise liegen die generierten Spannungen dabei zwischen 1 und 15 kV.
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Durch den Einschluss der Innenelektrode in dem Dielektrikum kommt das den Plasmaerzeuger umgebende Gas, insbesondere die Luft, nicht mit der Innenelektrode in Kontakt. Die Plasmaentladung findet daher ausschließlich an der Außenelektrode statt, deren Oberfläche größer als die Oberfläche einer entsprechend ausgestalteten Innenelektrode ist. Die plasmaerzeugende Außenelektrode ist einfacher zugänglich, als die plasmaerzeugende Innenelektrode der aus dem Stand der Technik bekannten ”Siemens-Röhre”, die zugleich den Strömungsweg für das Gas bildet. Die plasmaerzeugende Elektrode kann daher auch leichter gereinigt werden.
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Die Induktion der Spannung in der Außenelektrode macht deren separate Kontaktierung entbehrlich, so dass die Leistungsversorgung der Außenelektrode ausschließlich über Kontaktierungen zu den im Inneren des Dielektrikums angeordneten Teilen der Innenelektrode erfolgt. Infolge dessen kann der Plasmaerzeuger ohne Rücksichtnahme auf Kabel und Kontakte mit der plasmaerzeugenden Außenelektrode dort positioniert werden, wo das erzeugte Plasma zur Entkeimung und/oder Geruchsneutralisierung benötigt wird. Zur Steuerung der Plasmaerzeugung lassen sich Frequenzen der Spannung zwischen 50 Hz und 500 kHz oder wahlweise gepulste Gleichspannung einsetzen.
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Das die Innenelektrode umgebende Dielektrikum ist ein elektrisch schwach- oder nicht leitender, nichtmetallischer unmagnetischer Feststoff, insbesondere Glas.
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Konstruktiv einfach lassen sich stabförmige Teile der Innenelektrode, vorzugsweise miteinander fluchtend, in einem rohrförmigen Dielektrikum einschließen. Die stabförmigen Teile der Innenelektrode sind in mindestens einer Höhlung des Dielektrikums angeordnet. Die Höhlung kann als zylindrischer Hohlraum in dem rohrförmigen Dielektrikum ausgebildet sein. Sofern nur eine Höhlung vorgesehen ist können die Teile der Innenelektrode durch ein gasförmiges Dielektrikum, z. B. Luft, in dem Hohlraum gegeneinander abgeschirmt sein. Vorzugsweise weist das rohrförmige Dielektrikum jedoch zwei gleichachsige Höhlungen auf, die im Abstand zueinander enden. Der Abschnitt zwischen den beiden Höhlungen in dem Dielektrikum schirmt die beiden Teile der Innenelektrode dielektrisch gegeneinander ab.
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Die beiden, insbesondere gleichachsigen Höhlungen erstrecken sich wie ein Sackloch von den Stirnseiten in das rohrförmige Dielektrikum. Eine einzige Höhlung kann als in Längsrichtung verlaufender Durchgang durch das rohrförmige Dielektrikum ausgebildet sein. Um die Teile der Innenelektrode in der bzw. den Höhlung(en) des Dielektrikums einzuschließen, können diese entweder den Querschnitt jeder Höhlung ausfüllen oder stoffschlüssig in eine Vergussmasse innerhalb der Höhlung eingebettet sein. Die Oberflächen der Teile der Innenelektrode gelangen auf diese Weise nicht mit dem Gas in der Umgebung des Plasmaerzeugers in Kontakt, so dass dort keine Plasmaentladung stattfindet.
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Die stoffschlüssige Verbindung gewährleistet einen sicheren und dauerhaften Halt der Innenelektrode in der Höhlung. Als Vergussmasse kommt insbesondere ein Klebstoff, Kunststoff, Epoxydharz mit oder ohne Füllstoffe oder Hotmelts in Betracht. Die Innenelektrode kann als Kupferkabel ausgebildet und in den Klebstoff eingebettet sein.
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Stirnseitig können an den Teilen der Innenelektroden hülsenförmige metallische Kontakte angeordnet sein, die die Enden des rohrförmigen Dielektrikums umschließen. Die Kontakte erlauben eine einfache Verbindung der Teile der Innenelektrode mit der Wechselspannungsquelle und schließen die Höhlung(en) in dem Dielektrikum zusätzlich stirnseitig ab.
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Eine Außenelektrode des Plasmaerzeugers, die vorzugsweise als Wendel, insbesondere aus einem Draht, ausgebildet ist und sich um das rohrförmige Dielektrikum windet, weist eine geringe Kapazität auf und setzt hierdurch die erforderliche Leistung zur Erzeugung des Plasmas herab. Die vorzugsweise als Wendel ausgestaltete Außenelektrode lässt sich einfach auf dem als Formkörper ausgebildeten Dielektrikum befestigen. Durch einen gewendelten Draht lassen sich wechselseitige Ladungsbehinderungen wirkungsvoll unterdrücken. Eine gezielte Veränderung der Steigung der Wendel über die Länge des Formkörpers hinweg erlaubt eine Beeinflussung der Entladungsvorgänge. Zudem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, die Wendel nicht als Fertigungsschritt an dem dielektrischen Formkörper selbst vorzunehmen, sondern ein vorgefertigtes Halbzeug, beispielsweise nach Art einer Feder, auf den Formkörper aufzuschieben.
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Sofern die Mantelfläche des rohrförmigen Dielektrikums als ein Gewinde mit einem an der Oberseite abgeflachtem Gewindeprofil ausgestaltet ist, dessen Steigung der Steigung der als Wendel ausgebildeten Außenelektrode entspricht, kann diese auf dem abgeflachten Teil des Gewindeprofils angeordnet werden. Das Plasma bildet sich entlang der Flanken des Gewindeprofils aus, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Gasstrom und dem erzeugten Plasma vergrößert wird. Als abgeflachtes Gewindeprofil kommen insbesondere Flach- und Trapezgewinde in Betracht, wobei zur sicheren Führung der Außenelektrode der abgeflachte Teil des Gewindeprofils eine muldenförmige Vertiefung zur teilweisen Aufnahme der Außenelektrode aufweisen kann.
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Der Plasmaerzeuger lässt sich außerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung auch für die Reinigung, Entkeimung und Geruchsneutralisierung von fasrigen Textilien, wie beispielsweise Teppichböden verwenden, wenn die Außenelektrode entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 an einem an der Oberseite abgeflachtem Gewindeprofil angeordnet ist. Die Fasern legen sich dann in den Zwischenraum zwischen den Flanken des Profils und gelangen in innigen Kontakt mit dem an der Außenelektrode erzeugten Plasma.
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Eine gezielte Plasmaerzeugung nur in bestimmten Bereichen der insbesondere als Wendel ausgebildeten Außenelektrode kann erreicht werden, wenn mindestens ein stabförmiger Teil oder beide Teile der Innenelektrode lediglich bereichsweise eine leitende Oberfläche aufweisen, wobei sichergestellt ist, dass die bereichsweise leitende Oberfläche mit dem Kontakt zum Anschluss an die Wechselspannungsquelle in elektrisch leitender Verbindung steht. Im Übrigen besteht die Innenelektrode aus isolierendem Material, beispielsweise einem zylindrischen Körper aus Kunststoff, Keramik oder Glas, auf dem die leitenden Bereiche als metallische Beschichtung aufgebracht sind. Der dem elektrisch leitenden Bereich der Innenelektrode, getrennt durch das Dielektrikum, gegenüberliegende Bereich der Außenelektrode erzeugt das Plasma in dem Bereich, wo es benötigt wird, während die übrigen Bereiche der Außenelektrode kein Plasma erzeugen. Das isolierende Kunststoffmaterial der Innenelektrode schirmt deren metallische Beschichtung bereichsweise so stark ab, so dass sich das für die Plasmaerzeugung an der Außenelektrode erforderliche äußere Feld nicht in ausreichender Stärke ausbilden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmaerzeugers,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Plasmaerzeugers mit einer als Gewinde ausgestalteten Mantelfläche sowie
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Plasmaerzeugers mit nur teilweise elektrisch leitender Innenelektrode.
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Der Plasmaerzeuger (1) zur Durchführung einer Plasmabehandlung nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung besteht im Wesentlichen aus einer zweiteiligen Innenelektrode (2a, b), die ein rohrförmiges Dielektrikum (3) mit einer Längsachse (15) aus Glas umgibt, auf dessen Mantelfläche (4) eine Außenelektrode (5) angeordnet ist, die beispielsweise als Draht ausgeführt ist und sich als Wendel um das rohrförmige Dielektrikum (3) windet. Die Außenelektrode muss jedoch nicht zwingend als Drahtwendel ausgeführt sein. Sie kann in herkömmlicher Art und Weise als Geflecht ausgebildet oder im Wege eines Beschichtungsprozesses auf das Dielektrikum (3) aufgebracht werden.
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Die Kontaktierung der beiden Teile der Innenelektrode (2a, b) erfolgt jeweils über eine auf die Stirnseiten des Dielektrikums (3) aufgeschobene Kontakthülse (6a, b), die mit den Teilen der Innenelektrode (2a, b) in elektrisch leitender Verbindung steht. Die stabförmigen Teile der Innenelektrode (2a, b) werden beispielsweise von einem Kupferdraht gebildet, der in eine Klebstoffmasse innerhalb der beiden Höhlungen (7a, b) eingebettet ist.
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Die beiden Teile der Innenelektrode (2a, b) sind zueinander dielektrisch abgeschirmt und induzieren die Spannung auf die Außenelektrode (5). Die beiden Höhlungen (7a, b) sind zum Zwecke der Abschirmung der Teile der Innenelektrode (2a, b) fluchtend angeordnet, jedoch durch den zwischen den Teilen der Höhlungen (7a, b) befindlichen Abschnitt (3a) des Dielektrikums (3) voneinander getrennt.
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Die beiden Kontakthülsen (6a, b) sind jeweils über eine elektrische Anschlussleitung (8a, b) mit einer Hochspannungsquelle (9) für Wechselstrom (etwa 1–15 KV) verbunden. Die an den Teilen der Innenelektrode (2a, b) anliegende Wechselspannung induziert eine Wechselspannung oder gepulste Gleichspannung in der Außenelektrode (5) und ruft damit an der Außenelektrode (5) das Plasma (10) hervor, das durch eine Vielzahl von Einzelentladungen (Filamenten) geprägt wird. In Folge dessen bildet sich über den gesamten Umfang des Plasmaerzeugers (1) und nahezu über die gesamte Länge der Außenelektrode das gewünschte Plasma aus. Lediglich im Bereich des die Teile der Innenelektrode (2a, b) gegeneinander abschirmenden Abschnitts (3a) wird an der Außenelektrode (5) kein Plasma gebildet.
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Der in 2 dargestellte Plasmaerzeuger (1) weist ein rohrförmiges Dielektrikum (3) auf, dessen Mantelfläche (4) mit einem an der Oberseite abgeflachtem Gewindeprofil (22) versehen ist, das beispielsweise ein Trapez- oder Flachgewinde sein kann. Die Außenelektrode (5) ist auch hier als Wendel ausgebildet, deren Steigung der Steigung des Gewindeprofils (22) entspricht. Wie insbesondere aus der Vergrößerung in 4 erkennbar, verläuft der wendelförmige, die Außenelektrode (5) bildende Draht entlang des abgeflachten Teils des Gewindeprofils (22). Die von der Außenelektrode (5) ausgehenden Filamente und damit das Plasma (10) breiten sich entlang der Flanken (23a, b) des Gewindeprofils (22) aus. In Folge dessen wird die plasmaerzeugende Oberfläche erheblich vergrößert.
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Der Plasmaerzeuger nach 2 kann insbesondere dazu verwendet werden, um Fasern (14) einer Textilie, z. B. eines Teppichs zu reinigen. Die Fasern (14) werden zwischen den Flanken (23a, b) des Gewindeprofils (22) komprimiert und gelangen intensiv mit dem Plasma (10) in Kontakt, wie dies aus der Vergrößerung in 2 erkennbar ist.
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3 zeigt einen Plasmaerzeuger (1), der eine gezielte Plasmaerzeugung nur auf einer Teiloberfläche des im Querschnitt kreiszylindrischen Plasmaerzeugers (1) ermöglicht. Diese wirksame Teiloberfläche kann beispielsweise in Richtung einer Gehäuseöffnung eines Gehäuses zeigen, in dem einer oder mehre der Plasmaerzeuger (1) gehaltert sind. Die Gehäuseöffnung kann, ähnlich wie eine Bodendüse eines Staubsaugers, über eine textile Fläche bewegt werden, um diese zu entkeimen und Gerüche zu neutralisieren. Diese wirksame Teiloberfläche zur Plasmaerzeugung wird dadurch erreicht, dass die beiden stabförmigen Teile der Innenelektrode (2a, b) lediglich bereichsweise eine leitende Oberfläche (25) aufweisen, die mit den stiftförmigen Kontakten (26a, b) zum Anschluss an die Hochspannungsquelle (9) in elektrisch leitender Verbindung stehen. Die leitende Oberfläche ist (25) als Beschichtung ausgeführt und erstreckt sich über den Mantel eines geraden Teilzylinders der stabförmigen Teile der Innenelektrode (2a, b).
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Der Tragkörper (27a, b) für die elektrisch leitende Beschichtung der Innenelektrode (2a, b) besteht aus isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff.
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Der der elektrisch leitenden Oberfläche (
25) der Innenelektrode (
2a, b), getrennt durch das rohrförmige Dielektrikum (
3), gegenüberliegende Bereich (
28) der Außenelektrode (
5) erzeugt das Plasma (
10), während die übrigen Bereiche der Außenelektrode (
5) kein Plasma erzeugen. Bezugszeichenliste
| Nr. | Bezeichnung |
| 1 | Plasmaerzeuger |
| 2a, b | Innenelektrode |
| 3 | Dielektrikum |
| 3a | Abschnitt (Dielektrikum) |
| 4 | Mantelfläche |
| 5 | Außenelektrode |
| 6a, b | Kontakthülse |
| 7a, b | Höhlung |
| 8a, b | Anschlussleitung |
| 9 | Hochspannungsquelle |
| 10 | Plasma |
| 11 | - |
| 12 | - |
| 13 | - |
| 14 | Fasern |
| 15 | Längsachse Dielektrikum |
| 16 | - |
| 17 | - |
| 18 | - |
| 19 | - |
| 20 | - |
| 21 | - |
| 22 | Gewindeprofil |
| 23a, b | Flanken |
| 24 | - |
| 25 | leitende Oberfläche |
| 26a, b | Kontakte |
| 27a, b | Tragkörper |
| 28 | Bereich (plasmaerzeugend) |
