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Die
Erfindung betrifft einen Ozonisator mit einer ersten Elektrode und
mit einer zweiten Elektrode, zwischen denen ein Entladungsspalt
gebildet ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ein
Dielektrikum angeordnet ist und das Dielektrikum eine erste Schicht
aus Glas oder Glaskeramik sowie eine zweite keramische Schicht aufweist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Ozonisators.
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Der
bekannte Ozonisator weist zwei mit Abstand zueinander unter Bildung
eines Entladungsspaltes angeordnete plattenförmige, metallische Elektroden
auf, zwischen denen ein Dielektrikum aus Keramik oder Glas vorgesehen
ist. Das Dielektrikum kann hierbei als eine Glasplatte ausgebildet
sein, auf deren dem Entladungsspalt abgewandter Seite eine Metallschicht
zur Ausbildung einer der Elektroden aufgebracht ist und die auf
der Seite des Entladungsspaltes mit einer dünnen Inhibitor-Schicht aus
einem Mate- rial mit hohem Sekundäremissionskoeffizienten versehen
ist. Diese Inhibitorschicht weist eine Schichtdicke zwischen etwa
0,1 μm und
10 μm, vorzugsweise
von etwa 1 μm
auf und kann etwa aus Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Lantanoxid oder
Ceroxid beste- hen. Auch die zweite metallische Elektrode auf der
anderen Seite des Entladungsspaltes ist mit einer entsprechenden
Inhibitor-Schicht versehen. Durch die Inhibitor-Schichten soll bei dem
Ozonisator eine weitgehende Vermeidung von Zündverzügen und damit eine "pulsfreie" Entladung erreicht
werden.
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Die
Aufbringung der Inhibitor-Schichten soll nach einem nicht näher definierten
Verfahren erfolgen, das standardmäßig bei Plasmadisplayzellen verwendet
werden soll, um die Zündspannung
zu fixieren.
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Der
bekannte Ozonisator weist den Nachteil einer relativ komplizierten
Herstellung auf und ermöglicht
dennoch keine ausreichend hohe Ozonkonzentration, wie sie bei vielen
Anwendungsfällen
gefordert wird.
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Aus
der
DE 86 30 134 U1 ist
ein weiterer Plattenozonisator bekannt, bei dem wiederum zwei metallische
plattenförmige
Elektroden mit Abstand unter Bildung eines Entladungsspaltes voneinander angeordnet
sind. Zumindest auf einer der metallischen Elektroden ist eine Dielektrikumschicht
aus Emaille oder Glaskeramik aufgebracht, die zusätzlich noch
mit einer Inhibitor-Schicht
aus Metalloxiden, etwa Oxiden der Metalle Nickel, Cobalt, Titan
oder Chrom besteht. Diese Inhibitor-Schicht weist eine sehr geringe
Schichtdicke in der Größenordnung
von einigen Angström
bis zu einigen Mikrometer auf und wird vorzugsweise auf die Dielektrikumschicht
aufgedampft.
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Auch
dieser Ozonisator ist mit den vorstehend bereits erwähnten Nachteilen
behaftet. Er läßt sich
nur auf relativ aufwendige Weise herstellen und erlaubt dennoch
keine ausreichend hohe Ozonkonzentration.
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Ein
weiterer aus der
DE
195 11 001 A1 bekannter Ozonisator besteht aus einem beispielsweise
rohrförmigen
Trägerkörper aus
Glas, auf dessen Außenseite
eine erste metallische Elektrode durch thermisches Spritzen aufgebracht
ist. Auf diese metallische Elektrode ist eine Dielektrikumschicht,
die beispielsweise aus Aluminiumoxid, aus Titanoxid oder Hafniumoxid
bestehen kann, wiederum durch thermisches Spritzen aufgebracht.
Zwischen der Dielektrikumschicht und einer konzentrisch angeordneten
Außenelektrode
ist ein Entladungsspalt zur Ozonerzeugung vorgesehen.
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Als
Dielektrikum wird bei dem vorbekannten Ozonisator nicht das Glasrohr
verwendet, sondern lediglich die aufgespritzte keramische Schicht.
Das Glasrohr dient somit nur als Trägerkörper.
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Durch
diese Anordnung wird eine relativ hohe Ozonausbeute erreicht, da
das Dielektrikum nur als relativ dünne Schicht ausgebildet und
die Ozonausbeute bekanntlich in erster Näherung proportional zur Dielektrizitätskonstante
und umgekehrt proportional zur Dicke des Dielektrikums ist. Die Ozonausbeute
wird gleichzeitig noch dadurch gesteigert, daß anstelle von Glas als Dielektrikum
Aluminiumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid oder eine Mischung hiervon
verwendet wird, was zu einer höheren
Dielektrizitätskonstante
führt.
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Dennoch
ist der vorbekannte Ozonisator mit einigen Nachteilen behaftet.
So muß die
thermisch gespritzte Dielektrizitätsschicht, um eine ausreichende
Durchschlagsfestigkeit aufzuweisen, eine Schichtstärke in der
Größenordnung
von etwa 1 mm haben. Das Auftragen einer solchen Schicht durch thermisches
Spritzen ist relativ aufwendig und teuer. Darüber hinaus werden neuere Ozonisatoren
meist nicht mehr unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen Ozonausbeute
(d.h. Massenanteil von erzeugtem Ozon in Abhängigkeit von der eingesetzten
elektrischen Energie) betrieben, sondern es wird versucht, eine
möglichst
hohe Ozonkonzentration in dem als Ausgangsbasis verwendeten Sauerstoff-Massenstrom
zu erreichen. Es wird also versucht, bei ggf. höherem Einsatz von elektrischer
Energie den Sauerstoffverbrauch bei der Erzeugung einer vorgegebenen
Menge von Ozon möglichst
niedrig zu halten. Eine hohe Sauerstoffkonzentration läßt sich
allerdings nur mit höheren
Betriebsspannungen erreichen. Bei dem aus der
DE 195 11 001 A1 vorbekannten
Ozonisator ist die Durchschlagsfestigkeit allerdings relativ begrenzt,
da die thermisch gespritzte Dielektrikumschicht eine relativ hohe
Porosität
aufweist und natürlich
aus Kostengründen
und aus Gründen
der verbesserten Ozonausbeute nur mit einer Schichtdikke in der
Größenordnung
von 1 mm aufgetragen wird.
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Im
Vergleich zu herkömmlichen
Glasozonisatoren, bei denen das Glasrohr mit einer Innenelektrode
versehen ist und das Glasrohr selbst als Dielektrikum dient, wird
somit zwar gemäß der
DE 195 11 001 A1 eine
höhere
Ozonausbeute, jedoch eine geringere Ozonkonzentration als mit herkömmlichen Glasozonisatoren
erreicht.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten Ozonisator
zu schaffen, der die Erreichung einer möglichst hohen Ozonkonzentration
und gleichfalls eine relativ gute Ozonausbeute ermöglicht.
Dabei soll ferner eine geeignetes Herstellverfahren zur Herstellung
eines solchen Ozonisators angegeben werden, das eine möglichst
einfache, gut reproduzierbare, kostengünstige Herstellung ermöglicht.
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Hinsichtlich
des Ozonisators wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Ozonisator mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Hinsichtlich
des Herstellverfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Es
hat sich gezeigt, daß auf
einen Trägerkörper aus
Glas oder Glaskeramik mit einer Wandstärke von 1 bis 3 mm auf seiner
Außenseite
eine dünne
keramische Schicht mit einer Schichtdicke von 20 bis 70 μm durch thermisches
Spritzen aufgebracht werden muß,
um eine verbesserte Ozonausbeute zu erreichen. Der erfindungsgemäße Ozonisator
ermöglicht
gleichzeitig eine höhere
Ozonausbeute sowohl im Vergleich zu herkömmlichen Glasozonisatoren, bei
denen das Glasrohr als Dielektrikum dient und die mit einer Innenelektrode
versehen sind, als auch eine verbesserte Ozonkonzentration im Vergleich
zu solchen Ozonisatoren, bei denen das Glasrohr lediglich als Trägerkörper dient,
auf den zunächst
die Elektrode und darauf eine Dielektrikumschicht aufgebracht ist.
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Der
erfindungsgemäße Ozonisator
ermöglicht
ein verbessertes Entladungsverhalten im Vergleich zu herkömmlichen
Ozonisatoren. Dabei wird ein besonders homogenes Entladungsbild
erreicht, was vorteilhaft ist zur Erreichung einer hohen Ozonkonzentration
im Trägergas
bei einer gleichzeitig hohen Ausbeute.
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Gleichzeitig
kann der Ozonisator mit höheren
Spannungen betrieben werden, da die Durchschlagsfestigkeit durch
den Trägerkörper aus
Glas oder Glaskeramik gewährleistet
ist. Mit dem erfindungsgemäßen Ozonisator
lassen sich so deutlich erhöhte
Ozonkonzentrationen im Trägergas
erzielen.
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Die
erste Elektrode kann mit Hilfe einer seitlich abgewinkelten Lanzette
durch thermisches Spritzen erzeugt werden, die in das Glasrohr axial
hineingefahren wird. Die keramische Schicht kann wiederum vorzugsweise
durch Plasmaspritzen anschließend
auf der Außenseite
des Trägerkörpers erzeugt werden.
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Da
die Durchschlagsfestigkeit des Ozonisators durch den von Natur aus
gasdichten Trägerkörper aus
Glas oder Glaskeramik vorgesehen ist, der mit einer hohen Präzision herstellbar
ist, kann die als zusätzliche
Dielektrikumschicht auf dem Trägerkörper aufgetragene
keramische dielektrische Schicht mit einer relativ geringen Schichtdicke
von 20 bis 70 μm,
vorzugsweise von 30 bis 50 μm
ausgebildet sein.
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Eine
derart dünne
dielektrische Schicht läßt sich
durch thermisches Spritzen verhältnismäßig kostengünstig erzeugen.
Gleichzeitig wird überraschenderweise
trotz einer derartig dünnen
zusätzlichen
Dielektrikumschicht eine im Vergleich zu herkömmlichen Ozonisatoren, bei
denen lediglich ein Glasrohr als Dielektrikum verwendet wird, und
die mit einer Innenelektrode versehen sind, verbesserte Ozonausbeute
erreicht.
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In
zusätzlicher
Weiterbildung der Erfindung enthält
die keramische Schicht eine Mischung aus Titanoxid und Aluminiumoxid,
die bis zu etwa 10 Gew.-% Titanoxid aufweist. Hierbei hat sich gezeigt, daß ein Gehalt
von 5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 7 Gew.-%
Titanoxid besonders vorteilhaft ist. Bei höheren Gehalten an Titanoxid
ist ein großer
Anteil des Titanoxids nicht mehr im Gitter des Aluminiumoxids gelöst, was
dazu führt, daß die keramische
Schicht leitfähig
wird und somit nicht mehr die notwendige Durchschlagsfestigkeit
erreicht werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung
der Erfindung enthält
die keramische Schicht Zirkonoxid, das mit Yttriumoxid, Magnesiumoxid
oder Calciumoxid stabilisiert ist.
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Hierbei
hat sich erwiesen, daß eine
Stabilisierung besonders mit Magnesiumoxid (bis zu 28 Gew.-%) und/oder
mit Calciumoxid (bis zu 40 Gew.-%) besonders vorteilhaft ist.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführung
der Erfindung besteht die erste und vorzugsweise auch die zweite
Elektrode aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Titan, einer
Titanlegierung oder einer intermetallischen Verbindung von Aluminium
und Nikkel.
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Dabei
kann auch eine Aluminiumlegierung verwendet werden, die bis zu etwa
30 Gew.-% Silizium enthält.
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Durch
die Verwendung von derartigen, an sich bekannten Materialien zur
Erzeugung der ersten Elektrode und ggf. auch der zweiten Elektrode
läßt sich
eine gute Haftung der Elektrode an der Glasoberfläche beim
Auftragen durch Plasmaspritzen erreichen, wobei gleichzeitig eine
gute Leitfähigkeit
und Beständigkeit
im Langzeitbetrieb gewährleistet
ist.
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Der
Trägerkörper besteht
vorzugsweise aus Borosilikatglas oder aus einer Glaskeramik.
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Beide
Materialien lassen sich mit hoher Präzision insbesondere in Rohrform
herstellen, wobei sowohl Glas als auch Glaskeramik einen höheren spezifischen
Elastizitätsmodul
aufweisen als bspw. Stahl. Dies führt dazu, daß die Rohre
bei der üblichen horizontalen
Anordnung nur wenig durchhängen
und sich somit eine präzisere
Einhaltung der Dimensionen des Entladungsspaltes gewährleisten
läßt.
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Der
Trägerkörper aus
Glas oder Glaskeramik weist vorzugsweise eine Wandstärke von
1,5 bis 2,1 mm, und besonders bevorzugt von 1,7 bis 1,9 mm auf.
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Bei
einer derartigen Wandstärke
des Trägerkörpers läßt sich
einerseits eine ausreichende mechanische und thermische Stabilität bei der
Auftragung der metallischen Schicht zur Erzeugung der ersten Elektrode
als auch bei der Auftragung der zusätzlichen Dielektrikumschicht
durch thermisches Spritzen erreichen. Andererseits ergibt sich mit
einer derartigen Dimensionierung eine gute Ausbeute und eine hohe
Ozonkonzentration.
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Wie
zuvor bereits erwähnt,
ist die keramische Schicht vorzugsweise als plasmagespritzte Schicht
ausgebildet, die vorzugsweise eine Stärke von 30 bis 50 μm aufweist.
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Eine
derartige Schichtstärke
führt zu
einer deutlichen Verbesserung der Ozonausbeute bei gleichzeitig
hoher Ozonkonzentration und dennoch relativ niedrigen Herstellungskosten.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
vorzugsweise die Beschichtung sowohl an der Innenseite des Trägerkörpers mit
einer metallischen Schicht als auch an der Außenseite des Trägerkörpers mit
einer keramischen Schicht durch Plasmaspritzen aufgetragen.
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Auf
diese Weise läßt sich
insbesondere die keramische Schicht verhältnismäßig kostengünstig und mit ausreichender
Qualität
auf den Trägerkörper auftragen.
Die metallische Schicht an der Innenseite könnte alternativ auch durch
andere Verfahren, z.B. durch Galvanikverfahren erzeugt werden.
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Wie
gleichfalls bereits erwähnt,
wird die keramische Schicht aus einem Keramikmaterial hergestellt,
das zumindest Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zirkonoxid enthält, wobei
insbesondere eine Mischung aus Aluminiumoxid mit etwa 7 Gew.-% Titanoxid
bevorzugt ist oder stabilisiertes Zirkonoxid verwendet wird, das
vorzugsweise mit bis zu 28 Gew.-% Magnesiumoxid oder mit bis zu
40 Gew.-% Calciumoxid stabilisiert ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ozonisator in schematischer
Darstellung;
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2 eine
graphische Darstellung der Ozonausbeute eines herkömmlichen
Röhrenozonisators,
bei dem ein Glasrohr aus Borosilikatglas, das von Schott unter dem
Handelsnamen "Duran" vertrieben wird,
als Dielektrikum verwendet wird, die über der elektrischen Leistung
dargestellt ist;
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3 eine
graphische Darstellung der Ozonausbeute über der Leistung bei einem
erfindungsgemäßen Ozonisator
mit einem rohrförmigen Trägerkörper aus
Duran und mit einer keramischen dielektrischen Schicht aus mit Yttriumoxid
stabilisiertem Zirkonoxid;
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4 eine
graphische Darstellung der Ozonkonzentration über der elektrischen Leistung, die
sich bei einem herkömmlichen
Ozonisator gemäß 2 ergibt;
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5 eine
graphische Darstellung der Ozonkonzentration in Abhängigkeit
von der elektrischen Leistung, die sich bei einem erfindungsgemäßen Ozonisator
mit einem Trägerkörper aus
Duranglas und einer keramischen dielektrischen Schicht aus mit Yttriumoxid
stabilisiertem Zirkonoxid ergibt;
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6 eine
graphische Darstellung der Ozonausbeute in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung,
die sich bei einem herkömmlichen
Röhrenozonisator
mit einem Trägerkörper aus
Duranglas ergibt, auf den eine Außenelektrode aufgebracht ist, auf
die eine dielektrische Schicht aus Aluminiumoxid mit 6 Gew.-% Titanoxid
aufgebracht ist, wobei das Glasrohr nicht als Dielektrikum verwendet
wird; und
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7 eine
graphische Darstellung der mit dem Ozonisator gemäß 6 erreichbaren
Ozonkonzentration in Abhängigkeit
von der elektrischen Leistung.
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Ein
erfindungsgemäßer Ozonisator
ist in 1 dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
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Der
Ozonisator weist zwei konzentrisch angeordnete Glasrohre, nämlich einen
innen Trägerkörper 18 aus
Duranglas und einen äußeren Trägerkörper 24 gleichfalls
aus Duranglas auf.
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Es
versteht sich, daß die
Darstellung nicht maßstabsgerecht
ist. Die Trägerkörper sind
in geeigneten Aufnahmen an den Enden gehalten (nicht dargestellt)
und werden im Betrieb gekühlt.
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Beide
Trägerkörper 18, 24 weisen
eine Wandstärke
von etwa 1,8 mm auf. Der Trägerkörper 18 ist
an seiner Innenseite mit einer ersten metallischen Elektrode 12 versehen,
die bspw. aus einer Aluminium-Silizium-Legierung etwa eutektischer
Zusammensetzung (ca. 11,7 Gew.-% Silizium) bestehen kann. Daneben
können
auch Aluminium-Titan-Legierungen, Aluminium-Nickel-Legierungen bzw.
entsprechende intermetallische Verbindungen verwendet werden. Auch
Mischlegierungen sind möglich.
Die erste Elektrode 12 wurde durch Plasmaspritzen erzeugt,
wozu eine abgewinkelte Gaslanzette axial in den Trägerkörper hineingefahren
wurde.
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Auf
die Außenseite
des Trägerkörpers 18 ist eine
keramische dielektrische Schicht 20, die aus Aluminiumoxid,
Titanoxid, Zirkonoxid oder Mischungen davon bestehen kann, gleichfalls
durch Plasmaspritzen aufgetragen. Beispielsweise kann die keramische
Schicht aus stabilisiertem Zirkonoxid bestehen, das mit etwa 10
Gew.-% Yttriumoxid stabilisiert ist. Obwohl mit Yttriumoxid stabilisiertes
Zirkonoxid im Handel weit verbreitet ist, ist dieses Material relativ teuer.
Es ist bevorzugt, stattdessen mit Calciumoxid oder mit Magnesiumoxid
stabilisiertes Zirkonoxid zu verwenden.
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Daneben
sind auch Mischungen von Aluminiumoxid und Titanoxid bevorzugt,
insbesondere solche, die bis zu 10 Gew.-% Titanoxid, vorzugsweise etwa
7 Gew.-% Titanoxid enthalten.
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Die
Schichtdicke der keramischen Schicht 20 beträgt vorzugsweise
etwa 30 bis 50 μm,
insbesondere etwa 40 μm.
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Der äußere Trägerkörper 24,
der gleichfalls aus Duranglas besteht, ist an seiner Innenfläche mit einer
zweiten Elektrode 14 versehen, die bspw. aus Reinaluminium
bestehen kann oder aber wiederum aus einer Aluminiumlegierung der
zuvor erläuterten Art.
Zwischen der keramischen Schicht 20 und der zweiten Elektrode 14 ist
ein ringförmiger
Entladungsspalt 22 gebildet.
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Die
erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 14 sind über Leitungen 28 mit
einer Wechselspannungsquelle 26 von etwa 50 bis 60 Hz oder
höherer
Frequenz verbunden, sofern ein Frequenzumformer verwendet wird.
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Durch
die Außenbeschichtung
des Trägerkörpers 18 mittels
der keramischen Schicht 20 ist zwischen der inneren ersten
Elektrode 12 und der äußeren zweiten
Elektrode 14 ein insgesamt mit der Ziffer 16 bezeichnetes
Dielektrikum angeordnet, das aus der Kombination des Trägerkörpers 18 und
der keramischen Schicht 20 gebildet ist.
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Mit
einem derartigen erfindungsgemäßen Ozonisator
läßt sich
eine gegenüber
herkömmlichen Röhrenozonisatoren
aus Glas mit Innenelektrode und Glas als Dielektrikum verbesserte
Ausbeute und gleichzeitig erhöhte
Ozonkonzentration erreichen. Dabei ist die Ausbeute im Vergleich
zu anders aufgebauten herkömmlichen
Ozo nisatoren, bei denen das Glasrohr lediglich als Trägerkörper dient,
auf den die erste Elektrode außen
aufgebracht ist, worauf wiederum das Dielektrikum aufgebracht ist,
zwar etwas geringer, jedoch ist die Ozonkonzentration bei dem erfindungsgemäßen Ozonisator
deutlich höher,
wie im folgenden anhand der 2 bis 7 erläutert wird.
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In 3 ist
die Ausbeute eines erfindungsgemäßen Ozonisators
in Abhängigkeit
von der zugeführten
Leistung dargestellt. Ein Vergleich mit 2, die die
Ausbeute eines herkömmlichen
Ozonisators mit Innenelektrode und Duranrohr als Dielektrikum zeigt,
ergibt, daß sich
die Ozonausbeute um etwa 10 bis 15 % verbessert.
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In 5 ist
die Ozonkonzentration des erfindungsgemäßen Ozonisators gemäß 3,
die sich in Abhängigkeit
von der elektrischen Leistung bei Verwendung von reinem Sauerstoff
als Trägergas
erreichen läßt, dargestellt.
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Ein
Vergleich mit 4, die die entsprechende Ozonkonzentration
in Abhängigkeit
von der elektrischen Leistung des zuvor anhand von 2 erläuterten
Ozonisators zeigt, ergibt, daß die
Ozonkonzentration gegenüber
dem herkömmlichen
Ozonisator um ca. 10 % gesteigert werden kann.
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Zum
Vergleich sind die entsprechenden Kurven für die Ozonausbeute und die
Ozonkonzentration in Abhängigkeit
von der zugeführten
elektrischen Leistung in 6 und 7 dargestellt,
die sich bei einem anderen herkömmlichen
Ozonisator ergeben, bei dem ein Glasrohr lediglich als Trägerkörper verwendet
wird, auf dessen Außenseite
eine erste Elektrode durch Plasmaspritzen aufgetragen ist, auf der eine
Dielektrikumschicht mit einer Stärke
von etwa 1 mm bestehend aus Aluminiumoxid und 6 Gew.-% Titanoxid
durch Plasmaspritzen aufgetragen ist. Bei diesem Ozonisator dient
das Glasrohr also lediglich als Trägerkörper, nicht jedoch als Dielektrikum.
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Ein
Vergleich des erfindungsgemäßen Ozonisators
gemäß 3 mit 6 zeigt,
daß der
herkömmliche
Ozonisator eine leicht verbesserte Ausbeute ermöglicht. Jedoch zeigt ein Vergleich
der 5 und 7, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Ozonisator
eine deutlich verbesserte Ozonkonzentration im Vergleich zu dem
herkömmlichen
Ozonisator erreichen läßt.