DE102010054747A1

DE102010054747A1 - Effizienter Ionisator

Info

Publication number: DE102010054747A1
Application number: DE201010054747
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Deinzer Arnulf; Prof. Dr. Czarnecki Lothar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen verbesserten Ionisator–ein Gerät, das dazu dient, nicht leitende Produkte, Halbzeuge oder Verpackungen zu entladen und/oder von Staub zu reinigen.Hierzu werden mit einer so genannten Koronaentladung einer Hochspannung Ionen erzeugt, die mittels eines Luftstrahls auf das zu entladende bzw. zu reinigende Objekt geblasen werden.Gegenüber dem Stand der Technik wird in der vorgestellten Apparatur bei gleichem Energieaufwand die Menge an Ionen verdoppelt bzw. der Aufwand zur selben Menge an Ionen halbiert.Es handelt sich hier um ein Gerät, das unterstützend in der Produktions- und/oder Verpackungstechnik eingesetzt werden kann.Die in der Literatur beschriebenen Geräte sind in dreifacher Hinsicht suboptimal, was die Erzeugung der Ionen betrifft:•der Abstand der Elektroden ist für eine optimale Koronaentladung viel zu hoch,•die Form der Gegenelektrode ist–wo angegeben–ungeschickt gewählt und•die Verwendung von Gleichspannung mindert die Ionenrate.Alle Probleme werden von der hier beschriebenen Erfindung gelöst.Die gelöste Aufgabe bietet ein Gerät, was mit einem Minimum an Energieaufwand ein Maximum an entladenden Ionen erzeugt. Das Gerät zur Lösung der Aufgabe, besteht aus einer Wechselspannung erzeugenden Hochspannungsquelle mit den nadelförmigen Elektroden. Diese sind–um ein möglichst inhomogenes Feld zu erzeugen–möglichst spitz und sind in einer–von der Höhe der Hochspannung abhängigen–Minimalentfernung d so voneinander angebracht, dass ein Funkenüberschlag gerade eben nicht mehr stattfindet, andererseits aber die Ionenerzeugungsrate durch Koronaentladung maximal ist.Die erzeugten Ionen werden durch einen Luftstrom mitgerissen und auf die zu reinigenden bzw. zu entladenden Objekte geblasen. Hierbei ist es sowohl möglich, den Luftstrom koaxial zu den Nadelelektroden zu führen als auch quer dazu.Neben einem einfachen Umströmen der Elektroden sind bei der Düsenanordnung auch noch unterstützende Luftströmungen zwischen den Elektroden oder an der Außenseite der Anordnung möglich.Eine„schlanke”Bauweise der kombinierten Elektroden- und Blasvorrichtung ist hiermit also möglich, und gestattet auch ein Entladen und/oder Säubern an ansonsten schwer zugänglichen Stellen.

Description

Die Erfindung beschreibt einen verbesserten Ionisator – ein Gerät, das dazu dient, nicht leitende Produkte, Halbzeuge oder Verpackungen zu entladen und/oder von Staub zu reinigen.
Hierzu werden mit einer so genannten Koronaentladung einer Hochspannung Ionen erzeugt, die mittels eines Luftstrahls auf das zu entladende bzw. zu reinigende Objekt geblasen werden.
Gegenüber dem Stand der Technik wird in der vorgestellten Apparatur bei gleichem Energieaufwand die Menge an Ionen verdoppelt bzw. der Aufwand zur selben Menge an Ionen halbiert.
Es handelt sich hier um ein Gerät, das unterstützend in der Produktions- und/oder Verpackungstechnik eingesetzt werden kann.
Im Patent DE 199 47 140 C2 (ELTEX) mit der Bezeichnung „Aktive Ionisationsvorrichtung”, veröffentlichte Patentschrift vom 8. Mai 2002, bezeichnet im Folgenden als DE 19947140 C2 wird ein Geräte beschrieben, das mit einer – ungeschickter weise als Einzelelektrode bezeichneten – Hochspannungseinrichtung in Verbindung mit einer Blaseinrichtung für einen entladenden Ionenstrom sorgt.
In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 007 990 A1 (SMC Corp.), mit der Bezeichnung „Ionisator”, Offenlegungstag 28.08.2008, bezeichnet im Folgenden als DE 10 2008 007 990 A1 sowie in der Produktbroschüre „Ionisierung Düsenausführung” der Firma SMC zu deren Inonisator der Serie IZN10, bezeichnet im Folgenden als BroschüreIZN10 wird ein Gerät beschrieben, das auf den selben Wirkmechanismen wie das in DE 19947140 C2 beschriebene beruht, bei dem aber auf einfaches Auswechseln der Nadelelektrode besonderen Wert gelegt wird.
Bei beiden Geräten wird der Ionenstrom durch eine einzelne, nadelförmige Elektrode mit einer weit entfernten, in jedem Fall nicht nadelförmigen Gegenelektrode erzeugt.
Die Gegenelektrode wird in als DE 19947140 C2 überhaupt nicht beschrieben, bei dem in DE 10 2008 007 990 A1 sowie, genauer, in BroschüreIZN10 beschriebenen Gerät ist als Gegenelektrode die geerdete, ringförmige Düse der Blaseinrichtung genannt (vgl. [0034] bzw. [0064] in DE 10 2008 007 990 A1 ), die sich in mindestens der dreifachen Entfernung (nämlich 2,8 mm) von der Nadelelektrode befindet, die zur Vermeidung eines Überschlags (0,83 mm unter Normalbedingungen bei der angegebenen Hochspannung von 2,5 kV) erforderlich wäre.
In dem in DE 19947140 C2 als für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betrachtung gezogenen Druckschrift, der britischer Patentschrift GB 2 308 925 A , bezeichnet im Folgenden als GB 2308925 A schließlich wird die – piezoelektrisch erzeugte – (Gleichspannungs-)Hochspannung von ca. 15 kV über ein Array von Nadelelektroden gegenüber einer weit entfernten Erde zur Erzeugung der Ionen genutzt.
In [0063] in DE 10 2008 007 990 A1 wird – allerdings nicht stimmig – eine andere Elektrodenanordnung für einen Gleichstromionisator beschrieben. Schließlich wird in der amerikanischen Patentanmeldung US 5874917 A eine Ionisationseinrichtung beschrieben, die zwei nadelförmige Elektroden und hochreines N₂ als Anblasgas verwendet; im Gegensatz zur hier vorgestellten Erfindung verwendet US 5874917 A jedoch statt Wechselspannung – wie beispielsweise 1 zu entnehmen – eine hochgespannt Gleichspannung, was durch den Effekt der Raumladung einer effizienten Ionenerzeugung entgegenwirkt.
Die eben beschriebenen Geräte sind in zweifacher Hinsicht suboptimal, was die Erzeugung der Ionen betrifft:

• zum einen ist der Abstand der Elektroden für eine optimale Koronaentladung viel zu hoch und
• zum anderen ist die Form der Gegenelektrode – wo angegeben – ungeschickt gewählt.

Beide Probleme werden von der hier beschriebenen Erfindung gelöst.
Auch ein umfangreiches Literaturstudium (vgl. analysierte Patente bzw. Produktbeschreibung) hat keinerlei Versuche erkennen lassen, die Ionenerzeugung zu optimieren. Die gelöste Aufgabe bietet ein Gerät, was mit einem Minimum an Energieaufwand ein Maximum an entladenden Ionen erzeugt.
Das Gerät zur Lösung der Aufgabe, skizziert in den und , besteht aus einer Wechselspannung erzeugenden Hochspannungsquelle mit den nadelförmigen Elektroden a und b.
Diese sind – um ein möglichst inhomogenes Feld zu erzeugen – möglichst spitz (der in DE 19947140 C2 beschriebene maximale Krümmungsradius von 500 μm mag hier als Anhalt dienen) und sind in einer – von der Höhe der Hochspannung abhängigen – Minimalentfernung d so voneinander angebracht, dass ein Funkenüberschlag gerade eben nicht mehr stattfindet, andererseits aber die Ionenerzeugungsrate durch Koronaentladung maximal ist.
Wie in den im Stand der Technik beschriebenen Anordnungen werden auch bei dem in vorliegender Erfindungsmeldung beschriebenen Gerät die erzeugten Ionen durch einen Luftstrom mitgerissen und auf die zu reinigenden bzw. zu entladenden Objekte geblasen. Hierbei ist es – wie dem folgenden Exkurs zu entnehmen – sowohl möglich, den Luftstrom koaxial zu den Nadelelektroden (wie in ) skizziert) zu führen als auch quer dazu (wie in ) skizziert). In dieser Darstellung sind – der besseren Übersichtlichkeit halber – nur die eigentlichen Elektrodenspitzen gezeichnet.
Neben einem einfachen Umströmen der Elektroden (dargestellt durch die durchgezogenen Pfeile mit der Bezeichnung „Druckluft”) sind bei der Düsenanordnung auch noch unterstützende Luftströmungen zwischen den Elektroden oder an der Außenseite der Anordnung (dargestellt durch die gestrichelt gezeichneten Pfeile mit der Bezeichnung „Druckluft”) möglich.
Eine „schlanke” Bauweise der kombinierten Elektroden- und Blasvorrichtung ist hiermit also möglich, und gestattet – wie mit der in beschriebenen Anordnung – auch ein Entladen und/oder Säubern an ansonsten schwer zugänglichen Stellen.
Zu den physikalischen Hintergründen sei hier erläutert (vgl. hierzu auch Andreas Küchler, „Hochspannungstechnik", VDI 1996, bezeichnet im Folgenden als Küchler 96 sowie Führer, Heidemann, Nerreter, „Grundgebiete der Elektrotechnik", Band 1, 3. Auflage 1988, bezeichnet im Folgenden als FüHeNe88):
Die Vorgänge bei positiver Spitze und negativer Spitze, die ja für alle betrachteten Patente wichtig sind, verlaufen stark unterschiedlich.
In beiden Fällen entstehen durch die lokal hohe Feldstärke Elektronen und Ionen. Die Elektronen sind allerdings wesentlich leichter als die Ionen, d. h. sind werden durch das elektrische Feld sofort vom Entstehungsort wegtransportiert. Übrig bleibt in beiden Fällen eine positive Raumladung durch die zurückbleibenden positiven Ionen, die dann im Luftstrom bewegt werden können.
Allerdings verursachen die positiven Ionen vor der positiven Spitze eine Feldstärkeverringerung, sie runden gewissermaßen die Spitze ab. Es liegt gewissermaßen eine Gegenkopplung vor, welche zu eine stationären Koronaentladung führt.
Ionen vor einer negativen Spitze führen zu einer Feldstärkeerhöhung und damit zu einer Mitkopplung, die zu Stromimpulsen von einigen 10 ns führt, wenn das verwendete Gas elektronegativ ist, wie dies bei Luft der Fall ist.
So gibt es also in einem Fall eine stationäre Dauerkorona, im anderen Fall Impulse, die unangenehm sind, weil sie sehr viel Hochfrequenz abstrahlen können (mit diesem Problem haben alle beschriebenen Anordnungen zu kämpfen). Eine stetige Ionenerzeugung ist nur an der positiven Spitze möglich.
Eine Wechselspannung ist aber trotzdem von Vorteil, da ihr Nulldurchgang einen eventuell entstehenden Lichtbogen zum Verlöschen bringt, während bei einer Gleichspannungsanordnung der Lichtbogen bestehen bleiben würde.
Der entscheidende Vorteil der hier beschriebenen Anordnung liegt darin, dass – im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Anordnungen – beide Halbschwingungen der angelegten Wechselspannung ausgenutzt werden anstelle von nur einer Halbschwingung.
Daher ist der Weg des Luftstroms sowohl vertikal als auch horizontal möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19947140 C2 [0005, 0005, 0006, 0008, 0009, 0015]
DE 102008007990 A1 [0006, 0006, 0008, 0008, 0010]
GB 2308925 A [0009, 0009]
US 5874917 A [0010, 0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Andreas Küchler, „Hochspannungstechnik”, VDI 1996, bezeichnet im Folgenden als Küchler 96 sowie Führer, Heidemann, Nerreter, „Grundgebiete der Elektrotechnik”, Band 1, 3. Auflage 1988 [0019]

Claims

Effizienter Ionisator (ionisationsvorrichtung) zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen mit einer aus zwei Nadeln bestehenden Elektrodeneinrichtung, die an eine Wechselspannungshochspannungsquelle anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelförmigen Elektroden in Zusatzelemente einführbar sind, die als Düse für Luft oder ein anderes geeignetes Gas ausgebildet und an eine Blaseinrichtung anschließbar sind.
Effizienter Ionisator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden einen festen nach Hochspannung und verwendetem Gas idealen Abstand haben, so dass die Ionenerzeugung in Form einer Koronaentladung maximal ist, gleichzeitig aber kein Überschlag und damit verbundene Funkenkorrosion auftritt.
Effizienter Ionisator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Nadeln ausgebildeten Elektroden ausreichend spitz sind, d. h. einen Krümmungsradius von weniger als 500 μm aufweisen.
Effizienter Ionisator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit als Düsen ausgebildeten elektrischen Isolatoren umgeben sind.
Effizienter Ionisator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Hochspannung variabel ist, um sie an Blasgas und Durchblasgeschwindigkeit anpassen zu können.