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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zum berührungslosen Abbauen von elektrostatischen Ladungen auf elektrisch isolierenden Materialien. Insbesondere betrifft die Erfindung das Reinigen von elektrostatisch empfindlichen Bauteilen mit ionisierter Luft.
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Entladevorrichtungen zum berührungslosen Abbauen von elektrostatischen Ladungen auf elektrisch isolierenden Materialien sind bekannt und werden in vielen Produktionsprozessen eingesetzt, um störende elektrostatische Ladungen auf den zu verarbeitenden Materialien abzubauen. Hintergrund ist, dass solche Ladungen zu unerwünschten Effekten wie Staubanziehung, Aneinanderhaften der Materialien oder bei elektrostatisch empfindlichen Komponenten gar zur deren Zerstörung führen können. Diese unerwünschten Effekte sollen durch den Einsatz der Entladevorrichtungen verhindert oder wenigstens reduziert werden, was in vielen Fällen gelingt.
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Beispielsweise betreffen die Druckschriften
DE 19 710 984 C1 und
DE 19 947 140 C2 Einrichtungen, welche durch an Emissionselektroden angelegte Hochspannung die sie umgebende Luft ionisieren, wobei die so erzeugten freien Elektronen und Gasionen durch das elektrische Feld des aufgeladenen Materials angezogen werden, so dass sie zu dessen Neutralisation beitragen.
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Die Druckschrift
US 4,757,422 beschreibt eine luftstromunterstützte Anordnung mit einer zwischen Emissionselektroden und dem zu entladenden Material angeordneten Detektor-Elektrode zum Erzeugen einer möglichst ausgeglichenen Ionenwolke.
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Die Druckschrift
US 2008/0232021 A1 betrifft ebenfalls eine luftstromunterstützte Anordnung, bei der durch die gepulste Ansteuerung der Emissionselektroden Schmutzablagerungen auf diesen reduziert werden sollen.
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Die Ionisierung der Luft durch die Elektrode erfolgt bei allen dort beschriebenen Anordnungen insbesondere unabhängig von der Höhe und/oder der Polarität einer vorhandenen Materialaufladung, was insbesondere bei größeren Abständen zwischen Elektroden und Material oder bei schnell bewegten Materialien zu einer unzureichenden Neutralisation führt.
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Insbesondere eigenen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen nicht oder nicht ohne Weiteres zum Reinigen von elektrostatisch empfindlichen Bauteilen mit ionisierter Luft oder anderen Gasen, bei denen ein Ladungsoffset von kleiner ± 35 V entsprechend der Norm EN 61340-5-1 (Stand: Anmeldetag) erforderlich ist. Ein derartiger Ladungsoffset von kleiner ± 35 V des Ionisators wird üblicherweise mit einem sog. Charged Plate Monitor überprüft. Der Charged Plate Monitor ist ein Messinstrument, das einen Vergleich von Luftionisationsgeräten ermöglicht. Unter Anwendung des Feldmühlen-Influenz-Prinzips werden elektrostatische Spannungspotentiale und Entladezeiten gemessen.
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Das Messinstrument besteht im Wesentlichen aus einer isolierten leitfähigen Platte, die mit einer bekannten Spannung aufgeladen wird. Dann wird die Zeit gemessen, die vergeht, bis die Ladung auf 10% des Wertes gesunken ist.
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Die genannte Norm EN 61340-5-1 behandelt die notwendigen Anforderungen an Entwurf, Erstellung, Einrichtung und Aufrechterhaltung eines Kontrollprogramms gegen elektrostatische Entladungen für elektrische oder elektronische Teile, Komponenten und Geräte, die empfindlich gegen Schädigungen sind durch elektrostatische Entladungen von gleich oder größer 35 V an isolierten Leitern. Der Grenzwert von 35 V bezieht sich auf das Niveau, das unter Verwendung von Ionisatoren nach der genannten Norm erreichbar ist.
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Mit herkömmlichen Hochspannungsnetzgeräten und herkömmlichen Ionisationsanordnungen, insbesondere Ionisationsdüsen, lässt sich eine Offsetspannung von kleiner ± 35 V nicht oder nur schwer reproduzierbar erreichen. Es sind immer Einstellungen am Netzgerät notwendig, die abhängig vom Montageort des Ionisators sind. Zudem können Umgebungsänderungen dazu führen, dass der geforderte Ladungsoffset auch bei einstellbaren Geräten nicht mehr erreicht wird.
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Auf Grundlage dieser Problemstellung liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei der Reinigung von elektrostatisch empfindlichen Bauteilen mit ionisierter Luft den Ladungsoffset auf kleiner ± 35 V zu halten, damit das elektrostatisch empfindliche Bauteil nicht durch den Ionisator zerstört wird.
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Insbesondere besteht ein Bedarf nach einem einfachen und kostengünstigen Hilfsmittel, welches die Zielerreichung vereinfacht, nämlich den Ladungsoffset zu verringern und insbesondere zu stabilisieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung in den entsprechenden abhängigen Patentansprüchen angegeben sind.
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Demgemäß betrifft die Erfindung insbesondere eine aktive Ionisationsvorrichtung zum Ableiten elektrostatischer Aufladungen, wobei die Ionisationsvorrichtung an mindestens eine Hochspannungsquelle anschließbar ist und als mindestens eine frei im Raum stehende Elektrode ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Elektrode ein freies Ende aufweist, welches in eine Hauptrichtung zeigt.
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Um zu erreichen, dass der Ladungsoffset verringert und insbesondere stabilisiert werden kann, ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, dass dem freien Ende der mindestens einen Elektrode eine elektrische Abschirmung zugeordnet ist zum Abschirmen des freien Endes der mindestens einen Elektrode in einer zur Hauptrichtung axialen und/oder radialen Richtung.
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Durch die spezielle Ausbildung der Elektrodeneinrichtung, nämlich als frei im Raum stehende Elektrode, ist sichergestellt, dass nur ein geringer Platzbedarf für den Aufbau der aktiven Ionisationsvorrichtung notwendig ist. Damit ist der Einsatz an Stellen möglich, die aufgrund der bisherigen räumlichen Ausdehnung herkömmlicher Systeme nicht zugänglich waren. Hierbei liefert die aktive Ionisationsvorrichtung zumindest gleichwertige, wenn nicht sogar bessere Entladungsergebnisse als herkömmliche aktive Ionisationsvorrichtungen.
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Um den Ladungsoffset der mindestens einen Elektrode der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung zu reduzieren und zu stabilisieren, ist erfindungsgemäß insbesondere eine elektrische Abschirmung zum Abschirmen des freien Endes der mindestens einen Elektrode in einer insbesondere zur Hauptrichtung axialen und/oder adialen Richtung vorgesehen. Die elektrische Abschirmung ist vorzugsweise zumindest bereichsweise koaxial und/oder konzentrisch zu zumindest dem freien Ende der mindestens einen Elektrode ausgeführt und/oder angeordnet.
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Gemäß Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung weist die elektrische Abschirmung eine vorzugsweise mantelseitig geschlossene aber stirnseitig offene Hülle aus einem elektrischen Leiter, insbesondere aus einem Drahtgeflecht oder Blech, auf, wobei die vorzugsweise mantelseitig geschlossene aber stirnseitig offene Hülle an ein anderes Potential angeschlossen ist als die mindestens eine Elektrode. Der elektrische Leiter kann auch isoliert eingebaut sein. Vorzugsweise ist dabei die insbesondere mantelseitig geschlossene aber stirnseitig offene Hülle an Erdpotential angeschlossen.
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Gemäß Realisierungen der elektrischen Abschirmung weist diese einen insbesondere bereichsweise zylindrischen, kegelförmigen und/oder kegelstumpfförmigen und vorzugsweise kreiszylindrischen Abschirmkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material auf, der an eine anderes Potential angeschlossen ist als die mindestens eine Elektrode. Die elektrische Abschirmung kann gerade sein. Ferner kann die elektrische Abschirmung mit einer Isolation versehen sein.
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Insbesondere kann der Abschirmkörper als länglicher und sich insbesondere parallel zur Erstreckungsrichtung des freien Endes der mindestens einen Elektrode erstreckender Hohlkörper ausgeführt sein, dessen Länge bei Ausführungsformen des Abschirmkörpers größer als sein Durchmesser sein kann.
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Die Erreichung des geforderten Ladungsoffsets von kleiner ± 35 V wird maßgeblich durch die Platzierung des elektrisch leitfähigen, ggf. isoliert eingebauten und vorzugsweise geerdeten Hohlkörpers um die Ionisationsspitze oder im Bereich der Ionisationsspitze erzielt. Hierbei wurde in überraschender Weise festgestellt, dass durch diese Maßnahme der Ladungsoffset deutlich reduziert wird, wobei insbesondere Umgebungseinflüsse keinen oder nur noch einen geringeren negativen Einfluss auf den Ladungsoffset haben.
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Mit der Verwendung der elektrischen Abschirmung muss das Hochspannungs-Netzgerät, d.h. die mindestens eine Hochspannungsquelle, an welche die Ionisationsvorrichtung angeschlossen oder anschließbar ist, nur noch grob parametrisiert werden. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung der elektrischen Abschirmung der Ladungsoffset deutlich geringer insbesondere durch den Ionisierungsabstand, durch die Hochspannungshöhe, durch die Frequenz und durch den herrschenden Luftdruck beeinflusst wird.
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Gemäß Realisierungen der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung wird die mindestens eine Elektrode durch mindestens einen Grundkörper mechanisch geführt und/oder gehalten.
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Vorzugsweise ist ferner eine Blaseinrichtung mit mindestens einem Lufteinlass und mindestens einem Luftauslass vorgesehen, wobei diese Blaseinrichtung insbesondere in dem Grundkörper der Ionisationsvorrichtung integriert oder an dem Grundkörper der Ionisationsvorrichtung angeschlossen sein kann.
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Gemäß Weiterbildungen ist dabei mindestens eine Luftdüse vorgesehen, die an den Luftauslass der mindestens einen Blaseinrichtung angeschlossen oder anschließbar ist. Die mindestens eine Elektrode ist dabei zumindest bereichsweise in die mindestens eine Luftdüse einführbar oder eingeführt.
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Besonders überzeugende Entladungsergebnisse sind erzielbar, wenn das freie, d.h. in Richtung der abzuleitenden bzw. zu beseitigenden elektrostatischen Aufladungen orientiert Ende der mindestens einen Elektrode in Form mindestens einer Spitze oder in Form mindestens einer Schneide oder in Form mindestens einer Kante ausgebildet ist. Durch eine derartige Ausbildung wird ein besonders gezielter Ionenausstoß am freien Ende begünstigt, wobei hierzu zweckmäßigerweise das freie Ende einen Krümmungsradius von weniger als 500 µm aufweist.
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Um die erwünschte zielgerechte Ionenabgabe zu verwirklichen, ist die mindestens eine Elektrode in vorteilhafter Weise mit Ausnahme ihres freien Endes vollständig mit mindestens einem elektrischen Isolator umgeben, beispielsweise in Gestalt eines Isolatorgriffs.
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Hinsichtlich des Aufbaus der aktiven Ionisationsvorrichtung ist es von Vorteil, dass die mindestens eine Elektrode durch mindestens einen Grundkörper mechanisch geführt und/oder gehalten sein kann, und dass die Elektrode über mindestens eine Strombegrenzungseinrichtung, beispielsweise mindestens einen ohmschen Widerstand, an die Hochspannungsquelle angeschlossen sein kann, was den Vorteil hat, dass dann der fließende Strom beschränkt ist, so dass die Isoliermaterialien nicht fortschreitend zerstört werden. Hierbei können die Strombegrenzungseinrichtung und die Hochspannungsquelle durch mindestens eine Hochspannungszuführung miteinander verbunden sein.
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Insbesondere ist - wie bereits angedeutet - gemäß Realisierungen der Ionisationsvorrichtung dieser eine Blaseinrichtung und vorzugsweise eine Luftdüse zugeordnet. Damit kann der Ionenausstoß bzw. die Ionenabgabe durch Betreiben der Blaseinrichtung durch Führen durch mindestens einen parallel zu der mindestens einen Elektrode verlaufenden Luftführungskanal insofern gefördert werde, als die Ionen zur besonders intensiven Ableitung zielgerichtet auf die zu beseitigenden elektrostatischen Aufladungen geblasen werden.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung weist die elektrische Abschirmung einen insbesondere bereichsweise zylindrischen, kegelförmigen und/oder kegelstumpfförmigen Abschirmkörper aus einem elektrisch leifähigen Material auf, der an eine anderes Potential angeschlossen ist, als die mindestens eine Elektrode, wobei der Abschirmkörper koaxial zumindest zu dem freien Ende der mindestens einen Elektrode angeordnet und vorzugsweise lös- oder austauschbar mit der Luftdüse und/oder dem Grundkörper der Ionisationsvorrichtung verbunden oder verbindbar ist. Der Abschirmkörper kann dabei auch von einem Isolator umgeben sein.
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Beispielsweise kann der Abschirmkörper als sich parallel zur Erstreckungsrichtung des freien Endes der mindestens einen Elektrode erstreckender Hohlkörper ausgeführt sein, wobei sich der Abschirmkörper über den Luftauslass der Luftdüse sowie über das freie Ende der mindestens einen Elektrode erstreckt. In diesem Zusammenhang haben Versuche gezeigt, dass eine besonders gute Reduzierung und Stabilisierung des Ladungsoffsets möglich ist, wenn sich der Abschirmkörper um mindestens 2 bis 15 mm und vorzugsweise um mindestens 5 bis 13 mm über den Luftauslass der Luftdüse sowie über das freie Ende der mindestens einen Elektrode erstreckt.
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Der Abschirmkörper hat aber auch bereits einen Einfluss, wenn er hinter dem freien Ende der mindestens einen Elektrode platziert ist.
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Allerdings sind auch bereits hervorragende Ergebnisse im Hinblick auf die Stabilisierung und Reduzierung des Ladungsoffsets erzielbar, wenn sich der Abschirmkörper nicht über den Luftauslass der Luftdüse sowie über das freie Ende der mindestens eine Elektrode erstreckt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Kit mit einer Ionisationsvorrichtung der erfindungsgemäßen Art und einer Vielzahl von Abschirmkörpern mit unterschiedlicher Länge und/oder unterschiedlichem Durchmesser, wobei bedarfsweise jede der Vielzahl von Abschirmkörpern mit der mindestens einen Luftdüse und/oder dem Grundkörper vorzugsweise austauschbar verbindbar ist.
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Nachfolgend werden exemplarische Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 schematisch und in einer Seitenansicht eine erste exemplarische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung; und
- 2 schematisch und in einer isometrischen Ansicht eine zweite exemplarische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung.
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Identische Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnlich ausgebildete Elemente oder Merkmale in 1 und 2.
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In 1 und 2 ist jeweils eine aktive Ionisationsvorrichtung 1 zum Ableiten elektrostatischer Aufladungen mit einer Elektrodeneinrichtung gezeigt, die an eine Hochspannungsquelle anschließbar und mit Gleich- oder Wechselspannung in der Größenordnung von einigen Kilovolt betreibbar ist.
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Die Elektrodeneinrichtung ist als frei im Raum stehende (Einzel-)Elektrode 2 ausgebildet, wobei die Elektrode 2 ein (vorzugsweise einziges) freies Ende 3 aufweist. Durch diese Ausbildung der Elektrodeneinrichtung, nämlich als frei im Raum stehende Elektrode 2, ist sichergestellt, dass ein geringer Platzbedarf für den Aufbau der aktiven Ionisationsvorrichtung 1 notwendig ist.
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Die in den Zeichnungen schematisch gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung 1 zeichnen sich dadurch aus, dass dem freien Ende der Elektrode 2 eine elektrische Abschirmung 4 zugeordnet ist, um zumindest das freie Ende der Elektrode 2 in einer zur Hauptrichtung radialen Richtung abzuschirmen.
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Die elektrische Abschirmung 4 weist bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen einen Abschirmkörper auf, der als länglicher und sich insbesondere parallel zur Erstreckungsrichtung des freien Endes der Elektrode 2 erstreckender Hohlkörper ausgeführt ist. Der Hohlkörper bildet eine mantelseitig geschlossene aber stirnseitig offene Hülle aus einem elektrischen Leiter, insbesondere aus einem Drahtgeflecht oder Blech, aus.
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Dabei ist die mantelseitig geschlossene aber stirnseitig offene Hülle an ein anderes Potential angeschlossen als die mindestens eine Elektrode 2. Insbesondere ist bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen vorgesehen, dass die mantelseitig geschlossene aber stirnseitig offene Hülle der elektrischen Abschirmung 4 an Erdpotential angeschlossen ist.
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Der Abschirmkörper der elektrischen Abschirmung 4 ist vorzugsweise als kreiszylinderförmiger Hohlkörper ausgeführt und koaxial zu zumindest dem freien Ende der Elektrode 2 ausgeführt und angeordnet.
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Die in den Zeichnungen schematisch gezeigten Ionisationsvorrichtungen sind jeweils als Ionisationsdüsen ausgebildet. Mit anderen Worten, der Elektrode 2 ist eine entsprechende Blaseinrichtung zugeordnet, um die Elektrode 2 bzw. das freie Ende der Elektrode 2 mit Druckluft zu umströmen.
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Bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ionisationsvorrichtung 1 wird die Elektrode 2 durch einen Grundkörper 5 mechanisch geführt bzw. gehalten. Der Grundkörper 5 dient dabei als elektrischer Isolator.
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Des Weiteren ist die Elektrode 2 in einer Ionisationsdüse, die durch den Grundkörper 5 einerseits und einer Luftdüse 6 am Luftauslass andererseits gebildet wird, aufgenommen. Dabei ist die Elektrode 2 bzw. das mindestens eine freie Ende der Elektrode 2 zumindest bereichsweise in der Luftdüse 6 aufgenommen.
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Die Elektrode 2 ist über einen ohmschen Widerstand 7 mit der Hochspannungsquelle elektrisch verbunden, so dass der fließende Strom beschränkt ist.
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Die beiden in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich durch die Dimensionierung des Abschirmkörpers der elektrischen Abschirmung 4:
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Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist der Abschirmkörper derart dimensioniert, dass dieser sich über den Luftauslass der Luftdüse 6 und über das freie Ende der Elektrode 2 erstreckt. Hingegen ist bei der Ausführungsform gemäß 2 vorgesehen, dass sich der Abschirmkörper zwar parallel zur Erstreckungsrichtung des freien Endes der Elektrode 2 erstreckt, jedoch nicht über den Luftauslass der Luftdüse 6 und über das freie Ende der Elektrode 2 hinausgeht.
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Darüber hinaus ist der als Hohlkörper ausgeführte Abschirmkörper bei der Ausführungsform gemäß 2 mit einem geringeren Durchmesser versehen im Vergleich zu dem als Hohlkörper ausgeführten Abschirmkörper gemäß 1.
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In bevorzugter Weise erstreckt sich der Hohlkörper des Abschirmkörpers über den Luftauslass der Luftdüse 6 und des freien Endes der Elektrode 2, und zwar um etwa 5 bis 10 mm vorzugsweise um etwa 8 mm. Der Durchmesser des als Hohlkörper ausgeführten Abschirmkörpers beträgt vorzugsweise 10 mm bis 2 cm.
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Versuche mit einem Charged Plate Monitor (CPM-V6.12/02.10 - Seriennummer: 07320316) haben bei einer Luftfeuchte von 65% und einer Lufttemperatur von 14,3 °C sowie mit einem Abstand des Charged Plate Monitors zu dem freien Ende der Elektrode 2 von 10 cm und einem Düsendruck von 2 bar gezeigt, dass nach einer Entladezeit von 0,2 Sekunden ein Offset von 26 bis 29 Volt bei der Ausführungsform gemäß 2 und ein Ladungsoffset von 17 Volt bei der Ausführungsform gemäß 1 vorlag, während ohne die elektrische Abschirmung 4 ein Ladungsoffset bei 94,3 Volt vorlag.
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Von daher ist ersichtlich, dass abhängig von der Dimension der als Abschirmkörper dienenden elektrischen Abschirmung 4 der Ladungsoffset beeinflusst und insbesondere minimiert werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin offenbarter Merkmale.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ionisationsvorrichtung
- 2
- Elektrode
- 3
- freies Ende der Elektrode
- 4
- elektrische Abschirmung
- 5
- Grundkörper
- 6
- Luftdüse
- 7
- ohmscher Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19710984 C1 [0003]
- DE 19947140 C2 [0003]
- US 4757422 [0004]
- US 2008/0232021 A1 [0005]
