DE2909310C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gasförmigen Strömung mit elektrischen Ladungen, insbesondere zur Beeinflussung des elektrischen Potentials eines Körpers, wie insbesondere eines Luftfahrzeuges, mit einem elektrisch isolierenden rohrförmigen Gehäuse, das mit einer Druckgas­ quelle verbunden ist und an dessen Endbereich eine metallische Düse mit einer Ausstoßöffnung für die elektrisch geladene Strömung vorgesehen ist, bei dem in der Düse die Spitze einer metallischen Nadel angeordnet ist, die sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckt und die gemeinsam mit der Düse an eine elektrische Hochspannungsquelle angeschlossen ist und bei dem die Ausstoßöffnung durch eine massive Kappe aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff umgeben ist, in der ein Aus­ laßrohr derart angeordnet ist, daß die elektrisch geladene Strömung zu ihrem Ausstoß dieses Rohr durchströmt.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-AS 12 81 602 bekannt. Diese Vorrichtung zur Erzeugung eines ionisierten Luftstrahls mit einem eine leitende Nadel umgebenden Gehäuse hat ein lei­ tendes Ringstück an dem Gehäuse an der Ausblasöffnung.

Diese Ringstück überragt die Öffnung so, daß zwischen der leitenden Nadel und der Ausblasöffnung durch eine Hochspan­ nung erzeugte elektrische Entladung ein im Gehäuse konisch nach außen sich erweiterndes Volumenelement umfaßt. Dabei liegt die leitende Nadel in der Achse der Bohrung des Gehäu­ ses, und zwischen der Nadel und dem leitenden Ringstück ist eine aus Isolierstoff bestehende, in Richtung der Achse der Bohrung sich erstreckende Hülse vorgesehen, die sich an der Ausblasöffnung nach außen konisch fortsetzt.

Ein als Kappe aufsetzbares Rohrstück ist mit gewinkeltem Austrittsteil vorhanden, damit ein ionisierter Luftstrahl erzeugt wird, mit dem sich ein photoempfindlicher Film neutralisieren und reinigen läßt, ohne eine Unschärfe oder Belichtung dieses Films aufgrund von Glimmentladungen an der Nadelspitze zu verursachen. Hierzu wird eine besondere Düse verwendet.

Die Kappe besteht vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material, beispielsweise Polystryrol oder Hartgummi. Die Durchlässe liegen unter stumpfem Winkel zueinander. Der Durchgang ist so ausgebildet, daß von keinem Punkt außerhalb des Gehäuses die Korona-Entladung in der Öffnung der Düse zu sehen ist.

Der Effekt dieser Vorrichtung ist im Hinblick auf die Intensität des ionisierten Luftstrahls gering.

Aus der US-PS 36 00 632 ist eine Einrichtung zur Entladung statischer Elektrizität von einem Bauteil, unter anderem auch von einem Helikopter, bekannt. In dieser Entladungsvorrichtung wird im Expansions-Sektor eine Überschallgeschwindigkeit des ausgestoßenen Dampfes erreicht.

Die Einsatzfähigkeit und Anpassungsfähigkeit dieser bekannten Ausführung sind gering, wobei insbesondere sich aufgrund der verhältnismäßig einfachen Entladungs- und Ausgabeeinrich­ tungen Beschränkungen in der Anwendung ergeben, zumal ein Bauteil der Düse vor dem genannten Ring aus leitfähigem Mate­ rial eine erhebliche Wirkung ausschließt.

Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein elektro­ statisches Potential eines Körpers in bezug auf seine Umge­ bung verändert werden.

Dazu sei bemerkt:
Die elektrostatische Ladung eines Luftfahrzeugs ergibt sich im wesentlichen durch eine Trennung elektrischer Ladungen beim Auftreffen von in der umgebenden Luft in Suspension befindlichen Teilchen, wie beispielweise Regentropfen, Eis­ kristalle, Staubkörner, Sandkörner usw., auf die äußeren Oberflächen des Luftfahrzeugs.

Wenn das elektrostatische Potential eines Luftfahrzeugs ei­ nen überhöhten Wert erreicht, erfolgen spontan partielle Entladungen, die mitunter als Koronaentladungen bezeichnet werden, und diese Entladungsvorgänge von impulsförmiger Art stören die Kommunikations- und/oder Navigationsfunkanlagen. In bestimmten Fällen bewirken diese Entladungen, daß diese Anlagen nicht genutzt werden können.

Somit bietet die Beseitigung der sich an Luftfahrzeugen bil­ denden statischen Elektrizität ein schwer zu lösendes Pro­ blem.

Es ist vorgeschlagen worden, Luftfahrzeuge mit feststehenden Tragflächen mit Stäben aus einem Widerstandsmaterial zu ver­ sehen, die durch eine oder zwei Spitzen abgeschlossen sind.

Die Koronaentladungen, die vorzugsweise im Endbereich der genannten Stäbe auftreten, haben dann eine weniger störende Wirkung als diejenigen Entladungen, die an den zugespitzten oder scharfkantigen Teilen des Luftfahrzeugs auftreten, und dies infolge des durch den ohmschen Widerstand der Stäbe erzeugten Integrationseffektes. Diese Vorrichtungen oder Potentialableiter unterbinden das Auftreten von Entladungen an Spitzen oder Kanten, die das Luftfahrzeug in der Nähe dieser Ableiter aufweist.

Die Wirkungsweise dieser Potentialableiter wird durch die Relativbewegung des Luftfahrzeugs in bezug auf die umgebende Luft begünstigt, diese sind besonders wirkungsvoll bei schnellfliegenden Flugzeugen. Dies trifft nicht zu, wenn diese Potentialableiter auf Hubschraubern angeordnet sind, die sich mit geringerer Geschwindigkeit fortbewegen und sich auch in stationärer Fluglage befinden können.

Außerdem macht die Formgebung eines Rumpfes oder Körpers ei­ nes Hubschraubers die Anbringung dieser Potentialableiter schwierig.

Es wude für zum Transport angehängter Lasten (bei als "Kräne" eingesetzten Hubschraubern) bestimmte Hubschrauber oder zur Rettung von in Gefahr befindlichen Personen vorge­ schlagen, im Verlauf der Hubschraubermanöver eine feste leitende Verbindung für die Elektrizität zwischen dem Hub­ schrauber in stationärer Fluglage und dem darunterliegenden Boden herzustellen. Wenn sich der Hubschrauber auf einem höheren elektrischen Potential befindet (das etwa hundert Kilovolt erreichen kann), sind sowohl für die Personen am Boden wie auch im Hinblick auf eine Brandentwicklung beim Überleiten leicht entzündbarer Stoffe Zwischenfälle oder Un­ glücksfälle zu befürchten.

Die Erdung von Hubschraubern durch Leiterkabel ist also nur eine scheinbar wirksame Abhilfemaßnahme und in zahlreichen Fällen nicht anwendbar.

Trotz der in verschiedenen Richtungen durchgeführten Unter­ suchungen ist es bis heute nicht gelungen, Hubschrauber oder ähnliche Luftfahrzeuge mit wirksamen Potentialableitern zu versehen, außer bei Sonderformen von Hubschraubern (mit Dop­ pelrotoren, mit Motoren am Heck). Aber bei diesen Sonderformen müssen die in der Strömung der Rotoren und/oder Turbulenzen an­ geordneten Spitzen auf ein sehr hohes Potential gebracht wer­ den, in der Größenordnung von 200 kV, was oft vom Gesichts­ punkt der Sicherheit, der Masse und des Platzbedarfs eine unannehmbare Belastung darstellt.

Mittel zur Erzeugung eines Ionenausstoßes mit hoher Geschwin­ digkeit durch eine Düse haben nicht die erhofften Ergebnisse geliefert, weil die Ableitungsströmung (der Austrittsstrom) der elektrischen Ladungen zu gering war.

Der Betrieb von Hubschraubern, insbesondere von Allwetterhub­ schraubern, die auch ohne Sicht, d. h. "blind", fliegen sollen, ist also durch die Ansammlung statischer Elektrizität einge­ schränkt, die den Betrieb der an Bord angeordneten Kommuni­ kations- und Navigationsfunkanlagen stört.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die auf das elektrostatische Potential eines Körpers mittels eines intensiven Strahls von gasförmigen Teilchen einwirkt, die Träger elektrischer Ladungen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse als hohles Rohr aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, dessen Innenraum als Kammer ausgeführt ist, durch die sich die Nadel erstreckt und die mit der Quelle für das Spuren von Feuchtigkeit enthaltende Druckgas verbunden ist, daß die Düse so gestaltet ist, daß das Druckgas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und durch Kondensation der Feuchtigkeitsspuren in dem Druck­ gas aufgeladene Mikropartikel erzeugt werden, und daß das Auslaßrohr aus einem nicht isolierenden Werkstoff mit hohem elektrischen Widerstand besteht.

Dabei wird eine wirkungsvolle Ausströmung elektrischer La­ dungen aus der Vorrichtung erzeugt. Kleine Partikel eines kondensierten Dampfes werden als Ionen wirkungsvoll aus dem elektrischen Feld am Hals der Düse ausgestoßen und in die Umgebungsionen überführt.

Wenn einige Partikel vor dem Erreichen des Endes des Aus­ trittsrohres verdampfen, werden die Ionen, die dadurch frei­ gesetzt werden, von einer Ansammlung an den inneren Wänden eines solchen Auslaßrohres abgehalten, weil dieses Auslaß­ rohr aus einem nicht isolierenden Werkstoff mit hohem elek­ trischen Widerstand besteht. Die Anordnung eines Isolier­ rohres, an dessen Ende die Ionenströmung mit der Gasströmung ausgegeben wird, trägt dazu bei zu verhindern, daß die ausge­ stoßenen Ionen wieder durch den Körper oder Bauteil, wie zum Beispiel ein Flugzeug, eingefangen werden, das mit einer solchen Vorrichtung ausgerüstet ist.

Insofern ist die Anordnung der Nadel von Bedeutung, um wel­ che bei der bekannten Ausführung ein geschlossenes Gehäuse angeordnet ist.

Die Ausbildung des Auslaßrohres aus einem nicht isolierenden Werkstoff mit hohem elektrischen Widerstand trägt zur Ausbil­ dung des Strahles in der Anordnung wesentlich bei.

Zu berücksichtigen ist dabei, daß durch die Kondensation des Dampfes in dem sich durch die Düse entladenen Gas entstehen­ de Mikropartikel elektrisch aufgeladen und aus der Düse aus­ gestoßen werden. Das dabei verwendete Auslaßrohr erstreckt sich zur Abführung der gasförmigen Strömung mit den aufgela­ denen Mikropartikeln von der Kammer fort.

Dabei ergibt sich schon die Bedeutung der speziellen Materi­ alausführung des Auslaßrohres, weil dadurch gemäß obigen Dar­ legungen eine besondere Ionenfreisetzung erfolgt, aber eine Ansammlung an den inneren Wänden des Auslaßrohres vermieden wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Zunächst ist dabei davon auszugehen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung imstande ist, die sich auf einer Struktur des Luftfahrzeugs im Flug ansammelnden elektrischen Ladungen in die Atmosphäre abzuführen.

Nach einem anderen Anwendungsfall wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung von Effekten eingesetzt, die an einem Körper durch die Ansammlung von elektrischen Ladungen hervorgerufen werden, die merkbar sein elektrostatisches Po­ tential erhöhen.

Dieser Körper, beispielsweise ein Hubschrauber am Boden, wird lokal einem durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus­ gestoßenen Gasstrahl ausgesetzt, derart, daß es möglich wird, die Ansammlung oder die Ausbreitung der elektrischen Ladungen auf der Oberfläche des Körpers zu untersuchen und die in Ein­ satz zu bringenden Mittel zu bestimmen, um den Einfluß dieser Ladungen minimal werden zu lassen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spieles beschrieben, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Diese Darstellung stellt einen Axial- oder Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, welche als elektrischer Potentialableiter einsetzbar ist.

Vom Körper oder Rumpf 11 des Hubschraubers oder dergleichen dessen elektrisches Potential man zu begrenzen wünscht, um es im wesentlichen auf dem Wert Null zu halten, geht ein hohler Rundstab bzw. Rohr 12 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, im folgenden Isolierrohr genannt aus, dessen zur Verbindung am Körper oder Rumpf 11 dienende Bodenfläche 13 zur Verbindung des Isolierrohres 12 mit einer Druckgasquelle 10 dient, die bei­ spielsweise Druckluft, die Spuren von Feuchtigkeit enthält, liefert.

Das Isolierrohr 12 mit kreisförmigem Querschnitt weist eine Länge von etwa 60 cm auf, diese Längenangabe ist jedoch nicht von einschränkender Art. An seinem, von der Bodenfläche 13 abgewandten Endbereich ist ein metallischer Düsenkörper 15 befestigt, in dem eine zylindrische Vorkammer 16 ausgebildet ist, die sich in der eigentlichen Düse 17 fortsetzt, deren gekrümmte innere Oberfläche 18 den Hals 19 der Düse bildet. In der Mitte des Halses 19, entlang der Achse der Düse, ist der Endbereich 22 einer metallischen Nadel 21 angeordnet, deren anderer Endbereich mit einem Pol 24 einer Hochspan­ nungsquelle 25 verbunden ist, deren anderer Pol 26 mittels eines Leiters 27 mit der Masse des Körpers 11 verbunden ist.

Der äußere Teil 29 des Isolierrohres 12 und des Düsenkörpers 15 werden vom rohrförmigen Körper 31 einer Kappe 32, die auf einem elektrisch isolierenden Werkstoff wie beispielsweise "Plexiglas" oder Methylmethacrylat besteht, um­ schlossen. Der Körper 31 ist zylinderförmig und läuft dünner werdend in Richtung seines zum Körper 11 des Hubschraubers gerichteten Endes zu und geht formschlüssig mit der äußeren Oberfläche 34 des Isolierrohres 12 in eine Öffnung 33 über.

Der Körper 31 der Kappe 32 setzt sich zum anderen End­ bereich durch einen Teil 35 von lanzett- oder spitzbogenartiger Formgebung fort, in der ein mittiger Kanal 36 ausgenommen ist, der in eine Kammer 37 mün­ det, die durch den Körper 31 abgegrenzt ist. Der Boden der genannten Kammer wird durch einen schulterförmigen Ansatz 38 gebildet. Der Durchmesser des Kanals 36 ist wesentlich größer als der Durchmesser einer Austrittsöffnung 41 der Düse, so daß in dem Kanal 36 ein Auslaßrohr 42 untergebracht werden kann, bei dem der Durchmesser seiner inneren Oberfläche 43 genau gleich dem Durchmesser der Austrittsöffnung 41 der Düse ist, und dessen Wandstärke derart gewählt ist, daß die zylinder­ förmige äußere Oberfläche 44 des genannten Rohres 42 mit der zylinderförmigen inneren Oberfläche 45 des Kanals 36 einen ringförmigen Zwischenraum 46 bildet. Der innere Randbereich 47 des Auslaßrohres 42 steht mit der Stirnseite 48 des Düsenkör­ pers 15 in Berührung. Das Auslaßrohr 42 ist in einem nicht isolie­ renden, jedoch hochohmigen Werkstoff, mit einem Widerstand in der Größenordnung von 10¹⁰ Ohm, ausgeführt.

In einem Ausführungsbeispiel, das gute Resultate gegeben hat, lag der innere Durchmesser des Auslaßrohres 42 bei 3 mm, und seine Länge bei 50 mm.

Durch das verbleibende Spiel oder den Zwischenraum 49, der zwischen der vorderen Stirnseite 48 des Düsenkörpers 15 und dem schulterförmigen Ansatz 38 gebildet wird, steht der ring­ förmige Zwischenraum 46 in Verbindung mit der Kammer 37.

Es sind Öffnungen 52 in der das Isolierrohr bildenden Wandung vorgesehen, die die Verbindung zwischen einer inneren Kammer 53 des genannten Isolierrohres und der Kammer 37 herstellen.

Der vordere Endbereich des Auslaßrohres 42 weist eine abgeschrägte Fläche 54 auf, die formschlüssig an die innere Oberfläche 55 der verjüngten Spitze der Kappe 35 angepaßt ist.

Ein Entkopplungswiderstand 61 ist zwischen den Düsenkörper 15 und Masse geschaltet und ganz oder teilweise im Inneren des Isolierrohres 12 untergebracht.

Im Bereich des Halses der Überschalldüse, in deren Mitte der Endbereich 22 der auf eine hohe Spannung - entweder positiv oder negativ, je nach dem Vorzeichen der auszustoßenden Ladungen - gebrachten Nadel 21 angeordnet ist, werden Teil­ chen geringer Beweglichkeit erzeugt, die aus der Kondensation der natürlichen Feuchtigkeit, die in der Luft enthalten ist, auf gasförmigen Ionen einer Polarität resultieren, die ihrer­ seits aus der Koronaentladung stammen, die am Endbereich 22 der Nadel 21 auftritt.

Es ist festgestellt worden, daß bei Zufuhr von Druckluft zur Düse 17, derart, daß ein Austreten mit Überschallgeschwin­ digkeit am Hals 19 der Düse 17 und im Kanal 36 auftritt, und mit einer Hochspannungsquelle mit einer Spannung von etwa 10 kV der Entladungsstrom einen Wert von 60 bis 70 µA bei einem Druck von 5 · 10⁵ Pa in der inneren Kammer 53 erreichen kann, was ein Ergeb­ nis darstellt, das bislang mit einem Potentialableiter dieses Typs nicht hat erhalten werden können.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer gasförmigen Strömung mit elektrischen Ladungen, insbesondere zur Beeinflussung des elektrischen Potentials eines Körpers, wie insbeson­ dere eines Luftfahrzeuges, mit einem elektrisch isolie­ renden rohrförmigen Gehäuse, das mit einer Druckgas­ quelle verbunden ist und an dessen Endbereich eine metallische Düse mit einer Ausstoßöffnung für die elek­ trisch geladene Strömung vorgsehen ist, bei dem in der Düse die Spitze einer metallischen Nadel angeordnet ist, die sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckt und die gemeinsam mit der Düse an eine elektrische Hochspan­ nungsquelle angeschlossen ist und bei dem die Ausstoß­ öffnung durch eine massive Kappe aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff umgeben ist, in der ein Auslaß­ rohr derart angeordnet ist, daß die elektrisch geladene Strömung zu ihrem Ausstoß dieses Rohr durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als hohles Rohr (12) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet ist, dessen Innenraum als Kammer (53) ausgeführt ist, durch die sich die Nadel (21) erstreckt und die mit der Quelle (10) für das Spuren von Feuchtigkeit enthaltende Druckgas verbun­ den ist, daß die Düse (17) so gestaltet ist, daß das Druckgas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und durch Kondensation der Feuchtigkeitsspuren in dem Druckgas aufgeladene Mikropartikel erzeugt werden, und daß das Auslaßrohr (42) aus einem nicht isolierenden Werkstoff mit hohem elektrischen Widerstand besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (32; 31) zusätzlich wenigstens einen Teil (29) des Rohres (12) umgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Zwischenraum (46) zwischen der Außen­ fläche (44) des Auslaßrohres (42) und der Innenfläche (45) der darum befindlichen Kappe (32; 35) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilkammer (37) zwischen der Kappe (32; 31) und dem Teil (29) des Rohres (12) gebildet ist, der in die Kappe (32; 31) eingeschlossen ist, und daß die Teilkammer (37) durch Öffnungen (52) mit der Kammer (53) in dem Rohr (12) und mit dem ringförmigen Zwischenraum (46) zwischen der Kappe (32; 35) und der Außenfläche (44) des Auslaß­ rohres (42) in Verbindung steht und den ringförmigen Zwischenraum (46) mit unter Druck stehendem Gas aus der Kammer (53) in dem Rohr (12) füllt.