DE1965667C3

DE1965667C3 - Elektrogasdynamischer Energieumwandler

Info

Publication number: DE1965667C3
Application number: DE19691965667
Authority: DE
Inventors: Philip L. Basking Ridge N.J. Cowan (V.St.A.)
Original assignee: Electrogasdynamics Inc Hanover Nj (vsta)
Current assignee: Electrogasdynamics Inc Hanover Nj (vsta)
Priority date: 1968-12-31
Filing date: 1969-12-31
Publication date: 1975-05-28
Also published as: DE1965667B2; DE1965667A1; GB1301304A; FR2027486A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrogasdynamischen Energieumwandler mit einer Attraktorelektrode, die von einem kondensierbaren Dampf enthaltenden Gasstrom durchströmt wird, sowie mit einem stromaufwärts der Attraktorelektrode angeordneten, in der Strömungsrichtung des Gases konvergierenden Führungsabschnitt, in dem der Gasstrom im Bereich der Attraktorelektrode und des stromabwärts gelegenen Endes des Führungsabschnittes auf eine nahe bei der Schallgeschwindigkeit liegende Strömungsgeschwindigkeit gebracht und ein Aerosol mit geringer Teilchenbeweglichkeit durch Kondensierung des Dampfes gebildet wird, und in dem eine Ionisierelektrode angeordnet ist, die einen auf die Attraktorelektrode zu gerichteten Entladestromfluß erzeugt.

Bei Energieumwandlern dieser Art, wie sie z. B. durch die USA-Patentschrift 3 417 267 bekannt sind, kann sich, wie durch Versuche festgestellt wurde, nach einiger Betriebsdauer ein Leistungsabfall ergeben, der insbesondere darauf zurückzuführen ist, daß sich an den Innenwandungen des Encrgieumwandlers trotz der in der Praxis meist der Schallgeschwindigkeit entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes ein dünner Schmutzfilm bildet, der aus den ölrücksiänden des zum Unterdrucksetzen des Gasstromes verwendeten Kompressors besteht. Die Bildung

eines solchen Schmutzfilmes engt den Durchströmquerschnitt für den Gasstrom mit der Zeit mehr und mehr ein und führt hierdurch den Leistungsabfall des Energieumwandlers herbei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Energieumwandler der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß mit einfachen Mittein und bei geringen Abmessungen des Energieumwandlers sowie bei Anwendung einer etwa der Schallgeschwindigkeit entsprechenden oder auch unter der Schallgeschwindigkeitliegenden Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes im Bereich der Attraktorelektrode die Leistung des Energieuinwandlers auch bei langen Betriebszeiten aufrechterhalten und verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß bei einem Energieumwandler der eingangs genannten Art im Bereich der Attraktorelektrode mindestens eine relativ scharfkantige Unterbrechungsfläche angeordnet ist, auf aie der Gasstrom teilweise auftrifft und die in der stromlinienförmigen Führung des Gasstromes einen diesen aufbrechenden Strömungsbereich bildet.

Bei einem derart ausgebildeten Energieumwandler schließen die scharfkantigen Unterbrechungsflächen, auf die der sonst stromlinienförmig geführte Gasstrom insbesondere am Umfang auftrifft, nach den der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnissen den Betrieb des Energieumwandlers mit Überschallgeschwindigkeit des Gasstromes aus und rufen in dem Gasstrom eine starke Turbulenz hervor, auf die offenbar zurückzuführen ist, daß die Bildung eines Schmutzfilmes an der Innenwandung verhindert wird. In jedem Falle wird durch die Unterbrechungsfläche beim Betrieb des Energieumwandlers mit Schall- oder Unterschallgeschwindigkeit des Gasstromes eine erheblich erhöhte Leistung des Energieumwandlers mit außerordentlich hohen Spannungen auch auf die Dauer gewährleistet. Dabei besteht der weitere Vorteil, daß die Leistungssteigerung bei verhältnismäßig geringer Größe des Energieumwandlers erreicht werden kann, so daß der Energieumwandler z. B. leicht im Lauf einer Spritzpistole üblicher Größe untergebracht werden kann. Er kann hierzu in Form einer in den Lauf einsetzbaren Patrone ausgebildet sein, die auch auswechselbar sein kann.

Eine besonders zweckmäßige Ausfühningsform der Erfindung, bei der der den kondensierbaren Dampf enthaltende Gasstrom stromabwärts der Attraktorelektrode einen Längskanal durchströmt, ergibt sich, wenn der Längskanal einen sich in der Strömungsrichtung des Gasstromes erweiternden Durchströmquerschnitt aufweist, der sich über den größter, Teil seiner Länge erstreckt, wobei die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes etwa der Schallgeschwindigkeit entspricht. Hierdurch und durch die dem Gasstrom vermittelte Turbulenz wird vermieden, daß der Längskanal durch etwaige Bildung eines Schmutzfilmes zu sehr eingeengt wird.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen als Einsatzpatrone für eine Spritzvorrichtung, z. B. eine Farbspritzpistole ausgebildeten elektrogasdynamischen Energieumwandler nach der Erfindung, und

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch eine etwas abgeänderte Ausführungsform der Einsatzpatrone.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der elektrogasdynamische Energieumwandler 50 als Einsatzpatrone ausgebildet, die z. B. zum Einsetzen in den Lauf einer Farbspritzpistole bestimmt ist. Die nicht gezeigte Farbspritzpistole ist an eine Druckluft-

quelle angeschlossen, die einen Druck von etwa 1,5 kp/cm² oder mehr bei der erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit der Luft liefern kann. Die Druckluft kann auch zum Zuführen von Farbe und zum Zerstäuben der Farbe dienen.

In dem Energieumwandler SO wird die zum Aufladen der Farbtröpfchen der zerstäubten Farbflüssigkeit und zum Erzeugen des elektrostatischen Ablagerungsfeldes notwendige elektrische Energie aus der direkten Umwandlung der kinetischen Energie des ei-

>5 nen kondensierbaren Dampf enthaltenden Druckluftstromes gewonnen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Druckluft einem ringförmigen Einlaßabschnitt 114 des Energieumwandlers zugeleitet, der einen verhältnismäßig großen Durchlaßquer-

schnitt aufweist und in dem daher eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit und ein nur geringer Druckverlust entsteht. Hierdurch wird für den Betrieb des Energieumwandlers ein Druck von mehr als 1 kp/cm³ aufrechterhalten. In dem Einlaßabschnitt

»5 114 ist eine Halterungshülse 190 aus Isolierstoff angeordnet, durch die eine zu ihr gleichachsige nadelför- -!ij-e Ionisierelektrode 124 in ihrer richtigen Lage zu einem sie umgebenden, in der Strömungsrichtung des Luftstromes konvergierenden, konischen Führungs-

abschnitt 192 und einer ringförmigen Attraktorelektrode 194 gehalten wird. Die Halterungshülse 190 dient zugleich zur Halterung einer nicht bezifferten, der nadelförmigen Ionisierelektrode 124 die Erregerspannung zuführenden elektrischen Leitung. In dem

konischen Führungsabschnitt 192, der durch eine Hülse mit konischem Innenraum gebildet ist, wird der Durchlaßquerschnitt für die Druckluft auf die Attraktorelektrode 194 zu stetig verringert und hierdurch die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes bei

dessen Annäherung an die Attraktorelektrode auf eine nahe bei der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit vergrößert. Nach dem Durchgang durch die AttraKtorelektrode gelangt die Druckluft bei der dargestellten Ausführungsform in einen langgestreck-

♦5 ten Längskanal 158 von verhältnismäßig kleinem Querschnitt, der in Strömungsrichtung allmählich etwas weiter werden kann und in dem die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls erheblich größer gehalten wird als in dem Einlaßabschnitt 114

und daher ebenfalls nahe bei der Schallgeschwindigkeit liegt. Die aus dem Längskanal 158 austretende Druckluft trifft auf eine vorgeschaltete nadelförmige Sammelelektrode 198 auf, die an einem Pfropfen 196 angebracht ist. Die Druckluft expandiert dann und

strömt mit verringerter Geschwindigkeit einem Auslaßkanal zu. Die Sammelelektrode 198 kann durch einen Leiter direkt mit der Ladeelektrode für das elektrostatische Ablagerungsfeld an der Spritzdüse verbunden sein. Die Isolierelektrode 124 ragt durch den konvergierenden Fübrungsabschnitt 192 hindurch bis in die ringförmige Attraktorelektrode 194 hinein.

Der Energieumwandler ist so ausgebildet, daß er bei geringer Größe die Anwendung von Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe der Schallgeschwindigkeit in der Attraktorelektrode 194 und in dem Längskanal 158 ermöglicht und für einen weiten Bereich verschiedener Betriebsdrücke und solcher StrÖ-

mungsgeschwindigkeiten eine gute Leistungscharakteristik zeigt. Hierzu sind die unmittelbar an der ringförmigen Attraktorelektrode 194 angeordneten Teile so gestaltet, daß in der den Strömungsweg des Gasstromes am Umfang begrenzenden Wandung S mindestens eine relativ scharfkantige Unterbrechungsfläche angeordnet ist, auf die der Gasstrom mit seinem Umfangsbereich auftrifft und die in der sonst stromlinienförmigen Führung des Gasstromes einen Störungsbereich bildet, in dem der Gasstrom aufge- '° brachen wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind zwei solcher Unterbrechungsflächen 214 und 216 in der Strömungsrichtung des Gasstromes im Abstand hintereinander angeordnet. Diese Unterbrechungsflächen sind ringförmig gestaltet und z. B. dadurch ge- >s bildet, daß am Auslaßende des konvergierenden Führungsabschnittes 192 eine Ringnut 220 und auf der stromabwärts gelegenen Seite der Attraktorelektrode 194 angrenzend an diese ebenfalls eine plötzliche Erweiterung in Form einer Ringnut 217 angeordnet sind, ao Die Ringnuten 220 und 217 verlaufen mit ihrer jeweiligen Mittelebene rechtwinklig zur Längsachse des Energjeumwandlers bzw. zur Strömungsrichtung des Gasstromes und weisen im wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung gerichtete, freiliegende, seitli- »5 ehe Ringflächen auf, von denen die stromabwärts gelegenen die scharfkantigen Unterbrechungsflächen 214 und 216 bilden. Der Durchmesser der durch die Ringnut 220 gebildeten plötzlichen Erweiterung des Durchströmquerschnittes ist, wie aus Fig. 1 ersieht-Hch, erheblich größer als der Innendurchmesser der Attraktorelektrode 194 und des Längskanals 158. Versuche haben gezeigt, daß die Längs- und Querabmessungen dieser stromaufwärts der Attraktorelektrode 194 angeordneten Ringnut 220 keine bestimmte Größe haben müssen, daß aber die Ringnuten 217 und 220 vorzugsweise eine axiale Abmessung haben sollen, die kleiner ist als der Durchmesser der Attraktorelektrode. Vorzugsweise ist die Querschnittserweiterung durch die Ringnut 217 nicht kleiner als 2% 4» und nicht größer als 15% des Durchlaßquerschnittes der Attraktorelektrode 194. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einlaßweite der Attraktorelektrode 194 mindestens 2% kleiner als die stromabwärts liegende öffnungsweite des konvergierenden Führungsabschnittes 192 ist. Auch sollte der Durchmesser der Ringnut 217 etwa 5 bis 30% größer als der Durchmesser der Einlaßöffnung des Längskanals 158 sein. Dabei kann der Längskanal 158 so ausgebildet sein, daß sein Durchlaßquerschnitt in einem an die Ringnut 217 anschließenden ersten Abschnitt am kleinsten ist, wodurch in der Nähe der Attraktorelektrode 194 eine etwa oder beinahe der Schallgeschwindigkeit entsprechende Strömungsgeschwindigkeit beibehalten wird. Daran anschließend kann der Längskanal 158 einen sich in Strömungsrichtung des Gasstromes etwas vergrößernden Durchlaßquerschnitt haben.

Die scharfkantigen Unterbrechungsflächen 214 und 216 rufen in dem stromlinienförmig geführten Gasstrom eine starke Turbulenz hervor, die der BU-dung von Schichten langsamer strömenden Gases an den Innenwandungen der Attraktorelektrode 194 und des Längskanals 158 entgegenwirkt. Durch die dem Gasstrom vermittelte Turbulenz und die Vergrößerung des Durchströmquerschnitts des Längskanals 158 in der angegebenen Weise wird, wie durch Versuche festgestellt werden konnte, verhindert, daß sich an der Innenwandung des Längskanals 158 ein dünner Schmutzfilm bildet, der z. B. aus in dem Gasstrom enthaltenen ülrückständen des verwendeten Kompressors besteht und den Gasstrom in dem Längskanal mit steigender Betriebsdauer zunehmend einengt mit dem Ergebnis, daß ein gewisser Leistungsabfall eintritt. Durch die genannten Maßnahmen wird somit die Leistung des Energieumwandlers erheblich gesteigert.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des Energieumwandlers sind zur Bildung von mehreren scharfkantigen Unterbrechungsflächen 218 stromaufwärts der ringförmigen Attraktorelektrode 194 an der Innenwandung des konischen Führungsabschnittes 192 mehrere in der Strömungsrichtung des Gasstromes aufeinanderfolgende Ringflächen angeordnet, die durch die gezeigte Stufenausbildung der Innenwandung gebildet sind und zu der erwähnten Turbulenzbildung beitragen.

Bei einem elektrogasdynamischen Energieumwandler gemäß Fig. 1, der als Einsatzpatrone in einer Farbspritzpistole angeordnet war und mit einer nahe bei der Schallgeschwindigkeit liegenden Strömungsgeschwindigkeit des durch Druckluft gebildeten Gasstromes im Längskanal 158 arbeitete, lagen folgende Betriebsdruck- und Abmessungswerte zugrunde:

Druck der Druckluft
Attraktorelektrode 194

konvergierender
Führungsabschnitt 192

Ringnut 220
Ringnut 217
Längskanal 158

1.4 bis etwa 7 kp/cm², Innendurchmesser etwa 3 mm, axiale Länge etwa

4.5 mm,

Innendurchmesser am Einlaßende etwa, 6,6 mm.
Innendurchmesser am Auslaßende etwa 3,8 mm,
Länge etwa 10,4 mm;
axiale Länge 0,89 mm bei einem Durchmesser von etwa 7,6 mm

axiale Länge 1,5 mm bei einem Durchmesser von 8,1 mm

Innendurchmesser etwa
3 mm, bei 76 mm Länge mit 0,2 mm Divergenz.

Ein diesen Angaben entsprechender Energjeumwandler ergibt für einen weiten Bereich des Betriebsdruckes eine sehr hohe Spannung und Ströme von etwa einem Mikroampere je 0,07 kp/cm² Betriebsdruck.

Der zur Herstellung der einzelnen Teile verwendete Werkstoff ist für die Nutzleistung des Energieumwandlcrs nicht von wesentlicher Bedeutung. Jedoch sollten die isolierenden Teile, insbesondere die den konvergierenden Führungsabschnitt 192 bildende Hülse sowie die den Längskanal 158 bildende Hülse 212 und die Halterungshülse 190 für die Ionisierelek trode 124 aus Isolierstoffen hoher Durchschlagfestig keit bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ϊ 965 Patentansprüche:

1. Elektrogasdynamischer Energieumwandler mit einer Attraktorelektrode, die von einem kondensierbaren Dampf enthaltenden Gasstrom durchströmt wird, sowie mit einem stromaufwärts Uer Attraktorelektrode angeordneten, in der Strömungsrichtung des Gases konvergierenden Führungsabschnitt, in dem der Gasstrom im Bereich to der Attraktorelektrode und des stromabwärts gelegenen Endes des Führungsabschnittes auf eine nahe bei der Schallgeschwindigkeit liegende Strömungsgeschwindigkeit gebracht und ein Aerosol «lit geringer Teilchenbeweglichkeit durch Kondensierung des Dampfes gebildet wird, und in dem eine Ionisierelektrode angeordnet ist, die einen auf die Attraktorelektrode zu geachteten Entladestromfluß erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Attraktorelektrode (194) mindestens eine relativ scharfkantige Unterbrechungsfläche (214, 216, 218) angeordnet ist, auf die der Gasstrom teilweise auftrifft und die in der stromlinienförmigen Führung des Gasstromes einen diesen aufbrechenden Störungsbe- as reich bildet.

2. Energieumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärts des konvergierenden Führungsabschnittes (192) angeordnete Einlaß (114) dem Führungsabschnitt das den kondensierbaren Dampf enthaltende Gas mit einer unter der Schallgeschwindigkeit liegenden Strömungsgeschwindigkeit und einem Druck von mindestens 1 kg/cm² zuführt.

3. Energieumwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Koronaentladung der ionisierelektrode (124) mindestens teilweise in dem Störungsbereich des Gasstromes liegt.

4. Energieumwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der den kondensierbaren Dampf enthaltende Gasstrom stromabwärts der Attraktorelektrode einen Längskanal durchströmt, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung des Längskanals (158), daß die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes in dem Kanal etwa der Schallgeschwindigkeit entspricht.

5. Energieumwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ungskanal (158) einen sich in Strömungsrichtung des Gasstromes erweiternden Durchströmquerschnitt aufweist.

6. Energieumwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Erweiterung des Durchströmquerschnittes über den größten Teil des Längskanals (158) erstreckt.

7. Energieumwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der scharfkantigen Unterbrechungsfläche (216) auf der stromabwärts gelegenen Seite der Attraktorelektrode (194) angrenzend an diese eine plötzliche Erweiterung (217) des Durchströmquerschnittes für den Gasstrom angeordnet ist.

8. Energieumwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die plötzliche Erweiterung (217) des Durchströmquerschnittes durch eine Ringnut begrenzter axialer Länge gebildet ist, die zwischen der Attraktorelektrode (194) und dem Einlaßende des langgestreckten Kanals (158) angeordnet ist.

9. Energieumwandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die plötzliche Erweiterung (217) des Durchsirömquerschnittes den Einlaßquerschnitt des Längskanals (158) umfaßt und diesen so vergrößert, daß er 5% bis 30% größer ist als die Querschnittsfläche am Auslaßende der Attraktorelektrode (194).

K). Energieumwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der scharfkantigen Unterbrechungsfläche (214) stromaufwärts der Attraktorelektrode (194) eine Ringnut (220) am Auslaßende des Führungsabschnittes (192) angeordnet ist.

11. Energieumwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem stromaufwärts der Attraktorelektrode nur eine scharfkantige Unterbrechungsfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Unterbrechungsfläche (214) durch eine im wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Gasstromes gerichtete freiliegende Ringfläche der Attraktorelektrode (194) gebildet ist.

12. Energieumwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem stromaufwärts der Attraktorelektrode mehrere scharfkantige Unterbrechungsflächen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Unterbrechungsflächen (218) durch in der Strömungsrichtung des Gasstromes aufeinanderfolgende, dem Gasstrom zugekehrte Ringflächen einer Stufenausbildung der Wandung des Führungsabschnittes (192) gebildet sind, deren Innendurchmesser in der Strömungsrichtung von Stufe zu Stufe kleiner wird.