DE102020104533B4

DE102020104533B4 - Fluidbehandlungsvorrichtung, Elektrodengitter dafür und Baueinheit aus einer Mehrzahl solcher Elektrodengitter

Info

Publication number: DE102020104533B4
Application number: DE102020104533.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: DE102020104533A1

Abstract

Fluidbehandlungsvorrichtung (10) zur Plasmabehandlung eines strömenden Fluids, umfassend ein von dem Fluid durchströmbares und einen Strömungskanal (20) quer durchsetzendes Gitter (12) aus spannungsbeaufschlagbaren Elektroden (16), jeweils mit einer elektrisch leitenden Seele (26) und einem die Seele (26) umhüllenden, als gerade erstrecktes, selbsttragendes Rohr ausgebildeten Isolatormantel (24), die jeweils an einer ihrer Stirnseiten mit einem elektrischen Durchgangskontakt (30) versehen sind und äquidistant parallel zueinander angeordnet sind, sowie eine mit dem Elektrodengitter (12) verbundene Leistungselektronik (14) zum Aufbau von Potentialunterschieden zwischen einander nächst benachbarten Elektroden (16) durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung derselben, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (16) mit elektrisch leitfähigem Gel als ihre Seele (26) ausgebildet ist, wobei das Gel bei Erwärmung durch eine bei einem Riss des Isolatormantels (24) auftretende Funkenbildung verdampfbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluidbehandlungsvorrichtung zur Plasmabehandlung eines strömenden Fluids, umfassend ein von dem Fluid durchströmbares und einen Strömungskanal quer durchsetzendes Gitter aus spannungsbeaufschlagbaren Elektroden, jeweils mit einer elektrisch leitenden Seele und einem die Seele umhüllenden, als gerade erstrecktes, selbsttragendes Rohr ausgebildeten Isolatormantel, die jeweils an einer ihrer Stirnseiten mit einem elektrischen Durchgangskontakt versehen sind und äquidistant parallel zueinander angeordnet sind, sowie eine mit dem Elektrodengitter verbundene Leistungselektronik zum Aufbau von Potentialunterschieden zwischen einander nächst benachbarten Elektroden durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung derselben.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Elektrodengitter für eine Fluidbehandlungsvorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von stabförmig ausgebildeten und parallel sowie äquidistant zueinander angeordneten und gruppenweise elektrisch miteinander verbundenen Elektroden, jeweils mit einer aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Seele und einem die Seele umhüllenden verschlossenen, selbsttragenden Rohr aus einem dielektrischen Isolatormaterial, wobei jede Elektrode an einer ihrer Stirnseite mit einem elektrischen Durchgangskontakt zu dem elektrisch leitfähigen Material der Seele ausgebildet ist und jede Elektrode von jeder ihr jeweils nächst benachbarten Elektrode elektrisch getrennt und mit jeder ihr jeweils übernächst benachbarten Elektrode elektrisch verbunden ist, sodass sich eine erste und eine zweite Gruppe von jeweils untereinander elektrisch verbundenen Elektroden ergeben.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auch auf eine Baueinheit aus einer Mehrzahl derartiger Elektrodengitter.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Fluidbehandlungsvorrichtungen und Elektrodengitter dafür sind bekannt aus der DE 20 2017 107 554 U1 .
Zur Entkeimung und/oder Geruchsneutralisierung von Fluiden, insbesondere von Luft oder Wasser, ist seit einiger Zeit die sogenannte Plasmabehandlung bekannt und findet in häuslichem als auch in industriellem Maßstab Anwendung. Es sind sowohl Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung als auch Ab- bzw. Umluftsysteme in Krankenhäusern, Bürokomplexen, Großküchen, Wohn- und Arbeitsräumen, Ställen etc. bekannt, die auf der Plasmatechnologie basieren. Grundidee der Fluidbehandlung durch Plasma ist es, das Fluid durch ein elektrisches Feld strömen zu lassen, welches so stark ist, dass Moleküle des Fluids wenigstens teilionisiert werden, sodass sich ein Plasma aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen bildet. Dadurch bzw. bei der Rekombination bilden sich Radikale, die im Fluid enthaltene organische Substanzen, beispielsweise Keime und geruchstragende Moleküle, zerstören. Beispielsweise kann der Luftsauerstoff durch eine Plasmabehandlung teilweise in hochaggressives Ozon umgewandelt werden.
Die Schwierigkeiten einer effektiven Plasmabehandlung bestehen im Aufbau hinreichend hoher elektrischer Felder mit einem sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter Sicherheitsaspekten vertretbaren Aufwand zur Erzeugung handhabbarer Spannungen.
Es ist bekannt, Muster von unterschiedlich spannungsbeaufschlagbaren Elektroden auf der Oberfläche von Platinen anzuordnen, wobei Form und Abstand der Elektroden so gewählt sind, dass sich bei Spannungsbeaufschlagung entlang der Platinenoberfläche zur Plasmabildung hinreichend hohe elektrische Felder aufbauen. Beim Vorbeistreichen des Fluids an einer solchen Oberfläche bildet sich ein sogenanntes Flächenplasma. Um eine Fluidbehandlung mit hohem Volumendurchsatz zu gewährleisten, ist es bekannt, eine Vielzahl solcher Platinen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids in einen Strömungskanal einzubauen, sodass ein möglichst großer Volumenanteil des Fluids bei der Passage des Strömungskanals in den Wirkungsbereich der elektrischen Felder gerät und in das Flächenplasma einbezogen wird. Derartige Anordnungen bilden jedoch einen sehr hohen Strömungswiderstand, der durch entsprechend leistungsstarke Strömungserzeuger, beispielsweise Gebläse, und/oder durch übergroße Kanalquerschnitte (und damit einhergehend einer großen Anzahl von Platinen) kompensiert werden muss. Zudem führen Ablagerungen auf der Platinenoberfläche, beispielsweise Fett in Küchenabzugssystemen, zu einer mit zunehmender Betriebsdauer abnehmenden Plasmaeffizienz. Dies ist insbesondere unter wirtschaftlichen Aspekten ungünstig.
Aus der WO 2012/015943 A2 ist ein quer zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnetes Elektrodengitter bekannt, welches in Normalenrichtung von dem Fluid durchströmt wird. Es handelt sich dabei um ein Kreuzgitter, an dessen Kreuzungspunkten kreuzförmige Elektroden angeordnet sind. Diese sind mit einem Glasmaterial beschichtet, welches zugleich die Trägerstruktur des Gitters darstellt und die Elektroden mechanisch miteinander verbindet und gleichzeitig elektrisch voneinander isoliert. Es handelt sich also um eine Vielzahl von Einzelelektroden mit jeweils kreuzförmiger Seele und einem sich in Axialrichtung der Kreuzarme über die Seele hinaus erstreckendem Isolatormantel, der zugleich dem Gitter die nötige Stabilität gibt. Die unter Isolationsaspekten besonders vorteilhafte Verwendung von Glas als Isolatormaterial macht die filigrane Struktur eines solchen Elektrodengitters äußerst bruchanfällig. Vom Fluid mitgerissene Partikel können leicht seine Trägerstruktur verletzen, wobei es bei resultierendem Kontakt benachbarter Elektroden leicht zu Kurzschlüssen kommt. Dies ist insbesondere unter Sicherheitsaspekten nicht hinnehmbar. Die Verwendung eines flexiblen Isolatormaterials könnte dieses Problem zwar beheben, ist aber im Hinblick auf die geringe elektrische Durchschlagfestigkeit solcher, in der Regel organischer Materialien, nachteilig. Zudem handelt es sich auch hier um ein Oberflächenplasma auf der Oberfläche einer durchbrochenen Platine, sodass zur effizienten Volumenbehandlung die Durchbrüche in der Platine entweder sehr klein oder viele solcher Platinen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein müssen. Beides führt zu einer erheblichen Steigerung des Strömungswiderstandes mit den oben bereits genannten Nachteilen.
Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift sind Fluidbehandlungsvorrichtungen und Elektrodengitter bekannt, bei denen jede Elektrode als ein, mit einem rieselfähigen Pulver eines elektrisch leitfähigen Materials gefülltes, selbsttragendes und an einer seiner Stirnseiten mit einem elektrischen Durchgangskontakt zu dem Pulver verschlossenes Rohr aus einem dielektrischen Isolatormaterial ausgebildet ist. Damit soll im Fall der oben näher beschriebenen Beschädigung des Rohres durch mitgerissene Partikel das Pulver aus der Bruchstelle herausrieseln und vom Luftstrom davongetragen werden, sodass dadurch ein Kurzschluss mit einer benachbarten Elektrode verhindert werden.
Dies funktioniert jedoch nur in Szenarien, in denen das Rohr plötzlich relativ schwer beschädigt wird und somit eine Öffnung entsteht, die groß genug ist damit das Pulver durch sie entweichen kann. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass Schäden eher in Form einer zunächst sehr kleinen Rissbildung, die sich über einen längeren Zeitraum erweitert, auftreten. In diesem Fall kommt es an der beschädigten Stelle des Isolatormantels zu Funkenbildung, durch die die einzelnen Körner des Pulvers verbacken und somit ihre Rieselfähigkeit einbüßen. Wenn der Riss dann mit der Zeit groß genug wird, um ein Herausrieseln von Pulver eigentlich zu ermöglichen, befindet sich vor der Öffnung ein nicht mehr rieselfähiger Materialklumpen. Dann kann es zwar nicht wie beim Einsatz dünner Drähte zu einem Kurzschluss kommen, der überaus ungünstige Zustand der Funkenbildung ist dann jedoch dauerhaft.
Aus der WO 2004/068916 A1 ist eine Fluidbehandlungsvorrichtung bekannt, die in ihrem Aufbau derjenigen aus der gattungsbildenden Druckschrift ähnelt. Im Unterschied zu letzterer besteht die Elektrodenseele der Fluidbehandlungsvorrichtung der WO 2004/068916 A1 jedoch nicht aus einem rieselfähigen Pulver, sondern entweder aus einer nicht-metallischen, elektrisch leitenden Flüssigkeit wie Wasser, Alkohol, Glykol und/oder Salzwasser oder alternativ aus einer elektrisch leitfähigen Polymerpaste, insbesondere einer solchen, die in der Elektronikindustrie für die Haftung und das Wärmemanagement von elektronischen Bauteilen, wie z. B. Mikroprozessor-Chipsätzen, verwendet wird. Die Polymerpasten basieren insbesondere auf Silikonen, Polyoxypolyolefin-Elastomeren, Schmelzen auf Wachsbasis wie Silikonwachs, Harz-Polymer-Mischungen, Silikon-Polyamid-Copolymeren oder anderen silikonorganischen Copolymeren oder Polymeren auf Epoxid-, Polyimid-, Acrylat-, Urethan- oder Isocyanatbasis. Die Polymere enthalten leitfähige Partikel, in der Regel aus Silber oder aber aus Gold, Nickel, Kupfer, verschiedenen Metalloxiden, Kohlenstoff und/oder metallisierten Glas- oder Keramikkügelchen. Zudem ist, im Unterschied zur gattungsbildenden Druckschrift, die relative Anordnung des Elektrodengitters zum Fluid nicht offenbart.
Aus der US 2019/0365272 A1 ist eine medizinische Haut-Elektrode zur Aufzeichnung von Elektrookulogrammen bekannt, mit der sich die summierten elektrischen Potenziale auf der Hautoberfläche in der Nähe der Augen aufzeichnen lassen, die durch die Bewegungen der Augen zustande kommen. Die Haut-Elektrode umfasst ein selbstklebendes Trägerpolster, auf dessen Oberfläche leitende Tinte aufgebracht ist. Die leitende Tinte bildet sowohl Elektrodenbereiche, die die Haut eines Benutzers unmittelbar kontaktieren, als auch Leiterbahnen, die von ihrer Umgebung elektrisch isoliert sind und die die Bereiche der Elektroden, die unmittelbar die Haut kontaktieren, mit einer an einem freien Ende der Vorrichtung angeordneten Anschlussstelle elektrisch leitend verbinden. In dem selbstklebenden Trägerpolster sind in den Elektrodenbereichen etwa 0,5 - 5,0 mm tiefe Hohlräume ausgebildet, die mit einem elektrisch leitenden Gel, beispielsweise einem EEG-Gel auf Silber-Silberchlorid- bzw- -Natriumchlorid-Basis, gefüllt sind. Das Gel dient zur elektrisch leitfähigen Überbrückung von durch das Polster hervorgerufenen Unebenheiten.
Aus der DE 10 2005 001 158 A1 ist eine Barrierenentladungselektrode zur Behandlung von Oberflächen, insbesondere von flachen Bahnmaterialien wie Folien oder Metallplatten, mit Plasmen bei Atmosphärendruck bekannt. Die Barrierenentladungselektrode umfasst eine erste und eine zweite dielektrische Schicht, zwischen denen eine elektrisch leitende, mit Hochspannung beaufschlagbare Schicht angeordnet ist. Zudem weist sie an der von der elektrisch leitenden Schicht abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht einen Kanal auf, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Die dielektrischen Schichten der Barrierenentladungselektrode können aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, aus Glas, insbesondere Quarz, und/oder aus Polymeren wie PTFE oder PFA ausgebildet sein. Die elektrisch leitende Schicht kann aus einem metallischen Pulver, einem Metallgranulat und/oder einem mit Metallpulver versetzten Grundmedium, wie beispielsweise Silikon, Keramikzement, Epoxidharz oder Gel, ausgebildet sein.
Aus der DE 694 11 066 T2 ist eine implantierbare Elektrodenvorrichtung zur Verbindung eines Herzschrittmachers oder eines Defibrillators mit einem Herzen bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen elektrischen Leiter, der von einer elektrisch isolierenden Hülle umgeben ist. Der elektrische Leiter ist als ein elektrisch leitendes Gel ausgebildet, das mit einem metallischen Pulver, Salz oder Kohlenstoffpulver dotiert sein kann.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Fluidbehandlungsvorrichtung bzw. Elektrodengitter dafür derart weiterzubilden, dass die Gefahr einer dauerhaften Funkenbildung an einer nur leicht beschädigten Elektrode ausgeschlossen ist.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass jede Elektrode mit einem elektrisch leitfähigen Gel als ihre Seele ausgebildet ist, wobei das Gel bei Erwärmung durch eine bei einem Riss des Isolatormantels auftretende Funkenbildung verdampfbar ist.
Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 6 dadurch gelöst, dass das elektrisch leitfähige Material der Seele ein Gel ist, welches bei Erwärmung durch eine bei einem Riss des Rohrs auftretende Funkenbildung verdampfbar ist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In überraschender Weise hat sich gezeigt, dass handelsübliche elektrisch leitfähige Gele, wie sie z.B. als sogenannte Kontaktgele für medizinische EKG- und EEG-Elektroden erhältlich sind, als Elektroden-Füllmaterial, d. h. als elektrisch leitende Seele der isolierenden Rohre, nicht nur überhaupt geeignet sind, sondern auch das oben geschilderte Problem der Funkenbildung auf besonders elegante Weise lösen. Grundsätzlich denkbar wäre die Füllung der Elektroden mit einer flüssigen Salzlösung als Seele. Dieser Ansatz wäre eine unmittelbare Fortsetzung des dem bekannten Pulver-Ansatz zugrunde liegenden Gedankens, beim Bruch des Isolatormantels dessen Reststücke möglichst schnell zu entleeren, wobei dies - anders als beim Pulver-Ansatz - auch bei nur kleinen Rissen möglich wäre. Von diesem Grundgedanken aber löst sich die vorliegende Erfindung: Das Gel fließt gerade nicht schnell aus dem beschädigten Rohr. Dies hat den Vorteil, dass Elektroden unterhalb der beschädigten nicht durch eine auslaufende Salzlösung verschmutzt werden. Andererseits bricht aber dennoch die unerwünschte Funkenbildung schnell ab, denn es hat sich gezeigt, dass das durch die Funkenbildung erwärmte Gel zumindest im Bruchbereich sehr schnell durch die entstandene Öffnung verdampft. Es entsteht beidseitig der Öffnung ein gelfreier Bereich, der schnell groß genug wird, um die Funkenbildung abreißen zu lassen. Das übrige, im Rohr verbleibende Gel verdampft nach und nach im Laufe der Zeit, wobei der kontaktseitig verbleibende, mit der Zeit schwindende Elektrodenstummel bis zur vollständigen Verdampfung funktionsfähig bleibt.
Das Gel ist bevorzugt ein wasserbasiertes Gel. Solche Gele sind besonders kostengünstig erhältlich. Zwar ist ihre Verdampfungsrate niedriger als bei Gelen auf stärker flüchtiger Basis. Im Hinblick auf Toxizität und Brennbarkeit, die gerade im bevorzugten Einsatzgebiet der Erfindung von besonderer Bedeutung sind, sind wasserbasierte Gele zu bevorzugen.
Konkret kann es sich bevorzugter Weise bei dem Gel um eine Zubereitung, enthaltend Wasser, Verdickungsmittel (z.B. Polyacrylsäure), Elektrolyt (z.B. Natriumhydroxid), Feuchthaltemittel (z.B. Propylenglycol) und Konservierungsmittel (z.B. Methyl- und/oder Ethylparaben), handeln. Handelsübliche Kontaktgele für EEG- und EKG-Anwendungen entsprechen einer solchen Zubereitung, wobei häufig zusätzlich Puffermittel (z.B. Phenoxyethanol) beigemischt sind.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung von EKG- und EEG-Kontaktgelen im Kontext der vorliegenden Erfindung liegt in deren Mikroblasenfreiheit, die sich beim Füllen der Rohre im Rahmen der Herstellung erfindungsgemäßer Elektroden im Hinblick auf die Homogenität des erzeugten Plasmas als günstig erwiesen hat.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dem jeweiligen Durchgangskontakt gegenüber liegende Stirnseite jedes Rohres mit einem in das Rohr hineinragenden Stopfen aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Material verschlossen ist. Dadurch wird ein Abstand zwischen dem aktiven Elektrodenbereich und der Halterung des Rohrendes in einem Rahmen des Elektrodengitters realisiert. Auch bei Bruch der Elektrode in ihrem Endbereich wird so eine Beschädigung des Rahmens und der dort angeordneten elektrischen Leitungen vermieden.
Zur mechanischen und elektrischen Konstruktion eines erfindungsgemäßen Elektrodengitters ist bevorzugt vorgesehen, dass die Durchgangskontakte der Elektroden der ersten Gruppe von Elektroden gemeinsam an einer ersten Seitenkante des Elektrodengitters angeordnet sind und die Durchgangskontakte der Elektroden der zweiten Gruppe von Elektroden gemeinsam an einer der ersten Seitenkante gegenüber liegenden, zweiten Seitenkante des Elektrodengitters angeordnet sind. Mit anderen Worten wird jede Gruppe von Elektroden gemeinsam von einem anderen Ende ihrer Rohre her kontaktiert. Diese Aufteilung erlaubt es, dass die Elektroden jeder Gruppe untereinander mittels eines ihre Durchgangskontakte elektrisch kontaktierenden Kontaktbleches verbunden sind, welches auf der Außenseite eines die jeweiligen Enden der Rohre halternden Trägers fixiert ist. Es ist dies ein mechanisch besonders einfacher und elektrisch besonders leicht kontaktierbarer Aufbau. Insbesondere werden nur zwei Zuleitungen benötigt.
Jedes Kontaktblech ist bevorzugt unter stoffschlüssiger Vermittlung eines elektrisch isolierenden Klebstoffs zwischen dem jeweils zugeordneten Träger und einer mit diesem verbundenen Abdeckplatte geklemmt. Dies sichert gleichzeitig eine gute mechanische Fixierung und eine elektrische Kontaktierung. Wenn es sich bei dem Klebstoff zudem um ein dauerelastisches Material, wie z.B. Silikon, handelt, ergibt sich auch eine gute Sicherung gegen Ermüdungsbrüche, die z.B. durch die von der angelegten Wechsel-Hochspannung erzeugten, mechanischen Schwingungen der Elektroden hervorgerufen werden können.
Die bisherige Beschreibung bezog sich im Wesentlichen auf ein einzelnes Elektrodengitter. Zur Steigerung der Behandlungseffektivität ist es jedoch auch möglich, mehrere, d.h. wenigstens zwei Elektrodengitter in Strömungsrichtung hintereinander anzuordnen und mit der Leistungselektronik zu verbinden. Diese Anordnung und Verbindung erfolgt gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung derart, dass zwischen jeder Elektrode des einen Gitters und der ihr eindeutig bestimmbar nächst benachbarten Elektrode des anderen Gitters ein Potenzialunterschied aufbaubar ist.
Hierdurch wird das erzeugte Volumenplasma in Strömungsrichtung vergrößert. So bauen sich die plasmaerzeugenden elektrischen Felder nicht nur zwischen den einander nächst benachbarten Elektroden eines Gitters, sondern auch zwischen den einander nächst benachbarten Elektroden zweier nächst benachbarter Gitter auf. Zur Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass der Abstand zwischen zwei einander nächst benachbarten Elektroden zweier einander nächst benachbarter Gitter genauso groß ist wie der Abstand zwischen zwei einander nächst benachbarten Elektroden eines Gitters. In Axialrichtung der Elektroden betrachtet wird also bevorzugt eine quadratische Gitterstruktur aufgebaut, deren Kreuzungspunkte mit abwechselnd unterschiedlich spannungsbeaufschlagten Elektroden besetzt sind.
Derartige Strukturen können aus Einzelgittern zusammengesetzt sein. Bevorzugt werden jedoch Baueinheiten aus einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Elektrodengitter vorgefertigt, die sich dadurch auszeichnen, dass die Elektrodengitter in Normalenrichtung äquidistant derart hintereinander angeordnet sind, dass für jede Elektrode ihr Abstand zu jeder ihr im selben Elektrodengitter nächst benachbarten Elektrode gleich ihrem Abstand zu ihrer eindeutig bestimmbar nächst benachbarten Elektrode in jedem nächst benachbarten Elektrodengitter ist, wobei jede Elektrode von jeder ihr jeweils nächst benachbarten Elektrode in jedem nächst benachbarten Elektrodengitter elektrisch getrennt und mit jeder ihr jeweils übernächst benachbarten Elektrode in jedem nächst benachbarten Elektrodengitter elektrisch verbunden ist. Eine solche Baueinheit umfasst also exakt zwei Gruppen von Elektroden, die mit je einem gemeinsamen Gruppenanschlusskontakt verbunden sein können, der seinerseits mit einem entsprechenden Anschluss der Leistungselektronik verbunden werden kann. Die Vorfertigung solcher Baueinheiten hat den Vorteil, dass die komplexen Module nicht zeitaufwendig und unter eventuell schwierigen Montagebedingungen zusammengesetzt werden müssen, sondern als leicht handhabbare und gegebenenfalls mit einem gemeinsamen Schutzrahmen versehene Einheiten vor Ort leicht und schnell in einen vorhandenen Strömungskanal eingebaut werden können.
Die Leistungselektronik einer erfindungsgemäßen Fluidbehandlungsvorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, einander nächst benachbarte Elektroden mit Spannung entgegengesetzter Polarität zu beaufschlagen. Besonders bevorzugt werden die Elektroden dabei mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Bevorzugte Spannungsfrequenzen liegen im Bereich zwischen 50 Hz und 150 Hz, besonders bevorzugt zwischen 90 Hz und 110 Hz. Bevorzugte Spannungsgrößen liegen zwischen 1 kV und 5 kV, vorzugsweise zwischen 2,5 kV und 4 kV, was bei einer Leistungselektronik, die einen Transformator mit Mittelanzapfung umfasst, zu einem Potenzialunterschied zwischen einander nächst benachbarten Elektroden zwischen 2 kV und 10 kV, bevorzugt zwischen 5 kV und 8 kV, führt. Bei einem Elektrodenabstand im Bereich von 1 mm bis 1,5 mm haben sich derartige Spannungswerte als günstig für die Plasmabildung in Luft erwiesen. Bei Verwendung anders dimensionierter Elektrodenabstände und/oder anderer Fluide wird der Fachmann eine entsprechende Anpassung der elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften vorzunehmen wissen.
Auch im Übrigen profitiert die Erfindung von allen Vorteilen des Standes der Technik. Insbesondere lässt sich die geforderte Parallelität der Elektroden durch die genannte Bauweise leicht sicherstellen. Die Herstellung exakt gerader Rohre aus beispielsweise Glas, Quarz oder Keramik, insbesondere Titandioxid, mit exakt rundem, konzentrischem Innenraum ist dem Fachmann geläufig. Derartige Rohre sind als Massenware billig herzustellen. Bevorzugte Abmessungen solcher Rohre liegen bei ca. 2 mm Außendurchmesser und einer Wandungsdicke von ca. 0,2 mm. Beim Füllen solcher Rohre mit elektrisch leitfähigem Gel ergibt sich zwangsläufig eine exakt gerade Seele, sodass sich, anders als bei sich gegebenenfalls im Hohlraum eines Rohrs wellenden Drähten, ein Gatter mit exakt parallel ausgerichteten (effektiven) Elektroden herstellen lässt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluidbehandlungsvorrichtung,
2: eine schematische Darstellung eines Strömungskanals mit erfindungsgemäßen Elektrodengittern,
3: eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Baueinheit aus drei erfindungsgemäßen Elektrodengittern sowie
4: eine defekte Elektrode eines erfindungsgemäßen Elektrodengitters.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluidbehandlungsvorrichtung 10, umfassend ein Elektrodengitter 12 und eine damit verbundene Leistungselektronik 14.
Das Elektrodengitter 12 weist eine Mehrzahl stabförmiger Elektroden 16 auf, die mittels seitlicher Trägergestelle 18 parallel und äquidistant zueinander angeordnet sind. Im Anwendungsfall ist ein solches Elektrodengitter 12, wie in 2 gezeigt, so in einem Strömungskanal 20 anzuordnen, dass seine Elektroden 16 den wesentlichen Querschnitt des Strömungskanals 20 durchsetzen. Das mittels des Strömungspfeils 22 angedeutete, den Strömungskanal 20 durchströmende Fluid strömt dann durch die Zwischenräume zwischen den Elektroden 16 hindurch.
Jede Elektrode 16 weist einen Isolatormantel 24 auf, der eine leitende Seele 26 umhüllt und insbesondere gegen das Fluid elektrisch isoliert. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Isolatormantel 24 aus einem Glas-, Quarz- oder Keramikrohr und ist mit einem die Seele 26 bildenden Gel aus einem leitenden Material, bevorzugt ein wässriges Gel, besonders bevorzugt ein EEG- und/ oder EKG-Kontaktgel, gefüllt. Vorteilhafterweise ist der gesamte Innenraum des Rohrs mikroblasenfrei mit dem Gel gefüllt. Die mikroblasenfreie Füllung des gesamten Röhrchen-Innenraums ist bevorzugt, weil dadurch ein besonders homogenes Plasmafeld ermöglicht wird. Die den Isolatormantel 24 bildenden Rohre sind an ihren einen Enden mit in sie hineinragenden Verschlussstopfen 28 versehen. An ihren jeweils gegenüberliegenden Enden sind sie mittels elektrischer Durchgangskontakte 30 verschlossen, über die die elektrisch leitende Seele 26 mit einer außerhalb der Elektrode 16 liegenden Spannungsquelle verbunden werden kann.
Die jeweils nächst benachbarten Elektroden 16 sind im Elektrodengitter 12 elektrisch voneinander getrennt, während die jeweils übernächsten Elektroden 16 im Elektrodengitter 12 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt dies dadurch, dass die einander jeweils nächst benachbarten Elektroden 16 umgekehrt zueinander ausgerichtet und ihre jeweiligen Durchgangskontakte 30 gruppenweise über je ein Kontaktblech 31 elektrisch miteinander verbunden sind. Über Gruppenkontakte 32, 34 sind die beiden Kontaktbleche 31 mit unterschiedlichen Polen der Leistungselektronik 14 verbunden. Mechanisch sind die Kontaktbleche über am Trägergestell 18 angeschraubte Abdeckplatten 19 fixiert, wobei die Fixierung bevorzugt sowohl kraftschlüssiger Natur, nämlich durch Anpressung, als auch stoffschlüssiger Natur, nämlich durch Verklebung mittels eines elektrisch isolierenden, dauerelastischen Klebers, z.B. Silikon, ist.
Die beiden Elektrodengruppen werden im Betriebszustand von der Leistungselektronik 14 aus der Spannungsquelle mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt. Vorzugsweise erzeugt die Leistungselektronik 14 eine Wechsel-Hochspannung, die mit einem Phasenversatz von 180° an die beiden Elektrodengruppen angelegt wird. Im bevorzugten Fall einer symmetrischen Wechselspannung liegen zwei nächst benachbarte Elektroden 16 zu jedem Zeitpunkt auf einem gleich hohen elektrischen Potential, allerdings mit umgekehrter Polarität. Zwischen den jeweils nächst benachbarten Elektroden 16 baut sich folglich ein starkes, wechselndes elektrisches Feld auf, welches den gesamten Elektrodenzwischenraum durchsetzt und stark genug ist, um das diesen Zwischenraum durchströmende Fluid wenigstens teilweise zu ionisieren und so ein Volumenplasma auszubilden.
Wie in 2 erkennbar, können die erfindungsgemäßen Elektrodengitter 12 einzeln oder als Baugruppen von hintereinander angeordneten Elektrodengittern 12 im Strömungskanal 20 installiert werden. In dem Beispiel von 2 ist ein einzelnes Elektrodengitter 12 und eine Gruppe aus zwei Elektrodengittern 12 dargestellt. Diese werden vorzugsweise als vorgefertigtes Modul eingebaut.
3 zeigt am Beispiel eines aus drei Elektrodengittern 12 bestehenden Moduls die in einer solchen Baueinheit bevorzugt verwendete Schaltung der einzelnen Elektroden 16. Wie bereits im Kontext von 1 erläutert, sind die jeweils nächst benachbarten Elektroden 16 innerhalb eines Elektrodengitters 12 umgekehrt polarisiert. Das Gleiche gilt auch für die einander nächst benachbarten Elektroden 16 zweier einander nächst benachbarter Elektrodengitter 12. Dies führt zu einer Verbreiterung des resultierenden Volumenplasmas in Strömungsrichtung, was zu einer besonders effektiven Fluidbehandlung führt.
4 zeigt den besonderen Vorteil der erfindungsgemäßen Elektroden 16, nämlich mit einer Seele 26 aus einem Gel innerhalb eines Glas-, Quarz- oder Keramikrohrs als Isolatormantel 24. Ein solches Rohr ist selbsttragend und erlaubt eine exakte, parallele und äquidistante Ausrichtung der Elektroden 16. Zudem sind solche Materialien kostengünstig erhältlich und zeigen eine erhebliche elektrische Durchschlagfestigkeit. Wie jede filigrane Struktur sind sie jedoch mechanisch nicht völlig unempfindlich. Insbesondere können mitgerissene Partikel im Fluidstrom zum Bruch führen. Diese Situation ist in 4a skizziert.
An dem entstandenen Riss 36 kommt es zu einer Funkenbildung. Diese erhitzt das Gel derart, dass es lokal verdampft und durch den Riss 36 entweichen kann. Es entsteht, wie in 4b gezeigt eine Lücke in der Gelfüllung. Diese ist aufgrund der nicht fließ- und nicht schüttfähigen Natur des Gels (anders als bei einer Flüssigkeits- oder Pulverfüllung) mechanisch weitgehend stabil. Sobald die Lücke nach wenigen Sekunden groß genug ist, bricht die Funkenbildung ab. Derjenige in 4b rechte Teil der Elektrode bleibt aufgrund der Verbindung mit dem Durchgangskontakt 30 intakt. Allerdings wird mit der Zeit die gesamte Gelfüllung durch den Riss 36 entweichen, sodass es zum vollständigen Ausfall der Elektrode kommt. Benachbarte Elektroden werden hierdurch jedoch nicht beeinflusst - weder aufgrund eines Kurzschlusses noch aufgrund von Verschmutzungen durch auslaufende Elektrodenfüllung.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Die bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt im Bereich der Luftreinigung, insbesondere der Entkeimung von Raumluft sowie der Geruchsneutralisierung beispielsweise in Abzugssystemen von Küchen etc. Es hat sich jedoch auch herausgestellt, dass die Plasmabehandlung von Verbrennungsabgasen, insbesondere von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu einer deutlichen Senkung von Schadstoffwerten führen kann. Entsprechend sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch in diesem Kontext nutzbringend einsetzbar. Bei geeigneter Dimensionierung in mechanischer und elektrischer Hinsicht ist die vorliegende Erfindung zudem auch zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Trinkwasseraufbereitung geeignet.
Bezugszeichenliste

10: Fluidbehandlungsvorrichtung
12: Elektrodengitter
14: Leistungselektronik
16: Elektrode
18: Trägergestell
19: Abdeckplatte
20: Strömungskanal
22: Strömungspfeil
24: Isolatormantel
26: Seele
28: Verschlussstopfen
30: Durchgangskontakt
31: Kontaktblech
32, 34: Gruppenkontakte
36: Riss

Claims

Fluidbehandlungsvorrichtung (10) zur Plasmabehandlung eines strömenden Fluids, umfassend ein von dem Fluid durchströmbares und einen Strömungskanal (20) quer durchsetzendes Gitter (12) aus spannungsbeaufschlagbaren Elektroden (16), jeweils mit einer elektrisch leitenden Seele (26) und einem die Seele (26) umhüllenden, als gerade erstrecktes, selbsttragendes Rohr ausgebildeten Isolatormantel (24), die jeweils an einer ihrer Stirnseiten mit einem elektrischen Durchgangskontakt (30) versehen sind und äquidistant parallel zueinander angeordnet sind, sowie eine mit dem Elektrodengitter (12) verbundene Leistungselektronik (14) zum Aufbau von Potentialunterschieden zwischen einander nächst benachbarten Elektroden (16) durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung derselben, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (16) mit elektrisch leitfähigem Gel als ihre Seele (26) ausgebildet ist, wobei das Gel bei Erwärmung durch eine bei einem Riss des Isolatormantels (24) auftretende Funkenbildung verdampfbar ist.
Fluidbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel ein wasserbasiertes Gel ist.
Fluidbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel eine Zubereitung, enthaltend Wasser, Verdickungsmittel, Elektrolyt, Konservierungsmittel und Feuchthaltemittel ist.
Fluidbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Isolatormaterial des Isolatormantels (24) jeder Elektrode (16) Glas, Quarz oder Keramik ist.
Fluidbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem jeweiligen Durchgangskontakt (30) gegenüber liegende Stirnseite jedes Rohres mit einem in das Rohr hineinragenden Stopfen (28) aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Material verschlossen ist.
Elektrodengitter (12) für eine Fluidbehandlungsvorrichtung (10), umfassend eine Mehrzahl von stabförmig ausgebildeten und äquidistant parallel zueinander angeordneten und gruppenweise elektrisch miteinander verbundenen Elektroden (16), jeweils mit einer aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Seele (26) und einem die Seele (26) umhüllenden verschlossenen selbsttragenden Rohr aus einem dielektrischen Isolatormaterial, wobei jede Elektrode an einem ihrer Stirnseiten mit einem elektrischen Durchgangskontakt zu dem elektrisch leitfähigen Material der Seele (26) ausgebildet ist und von jeder Elektrode (16) mit jeder ihr jeweils nächst benachbarten Elektrode (16) elektrisch getrennt und mit jeder ihr jeweils übernächst benachbarten Elektrode (16) elektrisch verbunden ist, sodass sich eine erste und eine zweite Gruppe von jeweils untereinander elektrisch verbundenen Elektroden (16) ergeben, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Seele ein Gel ist, welches bei Erwärmung durch eine bei einem Riss des Rohrs auftretende Funkenbildung verdampfbar ist.
Elektrodengitter (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Isolatormaterial des Isolatormantels (24) jeder Elektrode (16) Glas, Quarz oder Keramik ist.
Elektrodengitter nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel ein wasserbasiertes Gel ist.
Elektrodengitter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel eine Zubereitung, enthaltend Wasser, Verdickungsmittel, Elektrolyt, und Feuchthaltemittel ist.
Elektrodengitter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem jeweiligen Durchgangskontakt (30) gegenüber liegende Stirnseite jedes Rohres mit einem in das Rohr hineinragenden Stopfen (28) aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Material verschlossen ist.
Elektrodengitter nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskontakte (30) der Elektroden der ersten Gruppe von Elektroden (16) gemeinsam an einer ersten Seitenkante des Elektrodengitters (12) angeordnet sind und die Durchgangskontakte (30) der Elektroden (16) der zweiten Gruppe von Elektroden gemeinsam an einer der ersten Seitenkante gegenüber liegenden, zweiten Seitenkante des Elektrodengitters (12) angeordnet sind.
Elektrodengitter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (16) jeder Gruppe untereinander mittels eines ihre Durchgangskontakte (30) elektrisch kontaktierenden Kontaktbleches (31) verbunden sind, welches auf der Außenseite eines die jeweiligen Enden der Rohre halternden Trägers (18) fixiert ist.
Elektrodengitter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kontaktblech (31) unter stoffschlüssiger Vermittlung eines elektrisch isolierenden Klebstoffs zwischen dem jeweils zugeordneten Träger (18) und einer mit diesem verbundenen Abdeckplatte (19) geklemmt ist.
Baueinheit aus einer Mehrzahl von Elektrodengittern (12) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengitter (12) in Normalenrichtung äquidistant derart hintereinander angeordnet sind, dass für jede Elektrode (16) ihr Abstand zu jeder ihr im selben Elektrodengitter (12) nächst benachbarten Elektrode (16) gleich ihrem Abstand zu ihrer eindeutig bestimmbar nächst benachbarten Elektrode (16) in jedem nächst benachbarten Elektrodengitter (12) ist, wobei jede Elektrode (16) von jeder ihr jeweils nächst benachbarten Elektrode (16) in jedem nächst benachbarten Elektrodengitter (12) elektrisch getrennt und mit jeder ihr jeweils übernächst benachbarten Elektrode (16) in jedem nächst benachbarten Elektrodengitter (16) elektrisch verbunden ist.