DE2915039A1

DE2915039A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektrostatischen zerstaeuben von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2915039A1
Application number: DE19792915039
Authority: DE
Inventors: Ronald Alan Coffee
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-04-12
Publication date: 1979-10-25
Also published as: NZ190138A; US4962885A; IT1113881B; FR2423271A1; SU913923A3; IL57098A; AU4589379A; IN150842B; CA1140817A; HU176541B; IT7921791A0; IL57098A0; OA06238A; FR2423271B1; CS216204B2; NL188145C; AU531759B2; JPS637825B2; NL188145B; BE875649A

Description

PATENTANWALT ^ * 2. APR. 1979

DR. RICHARD KNEISSL '-Jf' ο q λ ς η ο q

Wideijijnayerstr. 46 ^ · ^ ^ ^ ' ^{3 υ} ^³

D-8000 MÜNpHEN ZZ
TeL 089/295125.

Mappe 24547

IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LTD. London, Großbritannien

Verfahren und Vorrichtung zum elektrostatischen Zerstäuben von Flüssigkeiten

Priorität: 17. April 1978 - Großbritannien

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BESCHREIBUNG;·

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, und insbesondere die elektrostatische Bildung von Flüssigkeitssprühnebeln. Sie läßt sich besonders gut, jedoch nicht ausschließlich, zum Besprühen von Nutzpflanzen sowie zum Farbspritzen verwenden.

Aus der DE-OS 27 31 712 ist eine Vorrichtung bekannt, die sich zur Bildung feiner Sprühnebel aus elektrisch geladenen Flüssigkeitsteilchen eignet. Sie besteht aus einer leitenden Düse, die auf ein Potential in der Größenordnung von 1-20 000 V geladen ist und in deren Nähe sich eine geerdete Elektrode befindet. Das sich zwischen der Düse und der geerdeten Elektrode bildende elektrische Feld ist so stark, daß hierdurch die der Düse zugeführte Flüssigkeit unter Bildung feiner Tröpfchen aus geladener Flüssigkeit zerstäubt wird. Das sich hierbei ausbildende elektrische Feld ist jedoch nicht so stark, daß es hierdurch unter entsprechend hohem Stromverbrauch zu einer Korona- bzw. Spitzenentladung kommt. Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Handsprühgerät für landwirtschaftliche Zwecke, das gegenüber den bekannten Handsprühgeräten, bei denen der jeweilige Sprühnebel mittels einer elektrisch angetriebenen rotierenden Scheibe gebildet wird, wesentliche Vorteile aufweist. Diese Vorteile bestehen in einem günstigeren Kraftverbrauch und somit einem sparsameren Umgang mit der Batterie,in einer besseren Zuverlässigkeit und Haltbarkeit wegen des Fehlens beweglicher Teile und insbesondere in der Bildung eines geladenen Sprühnebels, der von Nutzpflanzen angezogen wird und diese gleichförmiger bedeckt.

Die letztgenannte Eigenschaft kann in einigen Fällen auch von Nachteil sein. So ist beispielsweise gelegentlich die

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Bildung einer 'Tröpfchenwolke erforderlich, die auf die Nutzpflanzen treibt. In einem solchen Fall kann eine Wolke aus geladenen Tröpfchen evtl. zu leicht vom nächstliegenden Blattwerk angezogen werden, so daß die Nutzpflanzen nicht ausreichend durchdrungen werden.

Ein weiterer Vorteil des in der DE-OS 27 31 712 beschriebenen elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubers besteht darin, daß sich mit ihm Teilchen eingestellter Größe bilden lassen. Der mittlere Radius der durch diesen Flüssigkeitszerstäuber erzeugten Teilchen ist um so kleiner, je größer deren Verhältnis von Ladung zu Masse ist. Der mittlere Teilchenradius läßt sich demnach durch Veränderung der Stärke des zerstäubenden Feldes steuern (was sich ganz einfach durch Veränderung der Spannung erreichen läßt). In einigen Fällen können jedoch Teilchen mit optimaler Größe für eine bestimmte Anwendung zu hoch geladen sein. Dies kann zu starken Abstoßungskräften zwischen den einzelnen Teilchen führen (so daß beispielsweise ein nicht leitendes Sprühziel keinen ausreichend starken überzug erhält), oder es kann auch dazu führen, daß die besprühten Pflanzen an scharfen Stellen oder Kanten zu stark bedeckt sind. Zu entsprechen-, den Schwierigkeiten kann es auch bei anderen Anwendungsgebieten kommen.

Aus den obigen Gründen besteht fallweise die Notwendigkeit, durch elektrostatische Vernebelung gebildete Flüssigkeitströpfchen ganz oder teilweise zu entladen, und dies läßt sich erfindungsgemäß nun in einfacher Weise bewerkstelligen.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum elektronischen Zerstäuben von Flüssigkeiten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Flüssigkeit durch elektrostatische Aufladung zerstäubt und die hierbei entstandenen elektrisch gelade-

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nen Teilchen durch eine ionische Entladung wenigstens teilweise entlädt, indem man die Teilchen über eine geerdete scharfkantige oder spitze Elektrode führt.

Das obige Verfahren wird durchgeführt unter Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubers, der gekennzeichnet ist durch:

Einrichtungen zum Transport einer Flüssigkeit an eine Zerstäubungs'stelle;

Einrichtungen, mit denen sich die an der Zerstäubungsstelle befindliche Flüssigkeit so stark aufladen läßt, daß die Flüssigkeit zu geladenen Tröpfchen zerstäubt und auf eine Bahn nach außen geschleudert wird;

und durch eine dazu benachbarte geerdete Elektrode mit scharfen oder spitzen Ecken oder Kanten, die in der Bahn oder längs der Bahn der Tröpfchen angeordnet ist.

Die Flüssigkeit wird vorzugsweise durch den in der DE-OS 27 31 712 beschriebenen elektrostatischen Flüssigkeitszerstäuber zerstäubt. Häufig besteht der Wunsch nach einer Möglichkeit zur Steuerung des von der. geerdeten Elektrode oder von geerdeten Elektroden induzierten Stroms,, und somit des Ausmaßes, in welchem die geladenen Tröpfchen entladen werden. Dies läßt sich auf verschiedene Weise erreichen, indem man beispielsweise den Abstand der scharfen oder spitzen Kanten von der Bahn der Tröpfchen oder ihre Stellung hierzu entsprechend verändert. Eine besonders einfache Möglichkeit hierzu besteht darin, die scharfen oder spitzen Kanten mit geerdeten Mantelelektroden abzuschirmen, wobei die Kanten im jeweiligen Mantel einstellbar zurückziehbar angeordnet sind, was sich beispielsweise durch einen entsprechenden Schraubmechanismus erreichen läßt.

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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung weiter erläutert. In ihr zeigen:

Figur 1 eine schematische Seitenansicht der wesentlichen Bestandteile eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubers.

Figur 2 einen Querschnitt der Zerstäuberdüse nach Figur 1.

Figur 3 eine Seitenansicht einer Zerstäuberdüse mit Entladungsnadeln und Mantelelektroden.

Figuren 4 und 5 teilweise geschnittene Seitenansichten von Entladungsnadeln und Mantelelektroden in einer Schwachfeldstellung bzw. einer Starkfeldstellung.

Figur 6 einen senkrechten Schnitt durch eine Zerstäuberdüse mit einem anderen System an Mantelelektroden.

Der in Figur 1 und 2 dargestellte elektrostatische Zerstäuber besitzt ein Gestell in Form eines Kunststoffrohres 1, das zur Aufnahme weiterer Teile des Zerstäubers eingerichtet ist. Im Kunststoffrohr 1 ist eine Bank aus 16 1,5 V-Batterien 2 vorhanden, die als elektrische Energiequelle dienen. An der Seite des Rohrs 1 ist ein Gleichspannungswandler 3 befestigt, der die Batteriespannung in eine Hochspannung von 0-20 kV mit einer Stromstärke von 200 uA verwandelt. Ferner ist an dem Batterierohr 1 ein Schalter 4 angebracht. Das Rohr 1 hat an seinem vorderen Ende ein Auge 5 mit Innengewinde, das zur Aufnahme einer Flasche 6 für die zu zerstäubende Flüssigkeit dient. Am Unterteil des Auges 5 ist der Oberteil eines rohrförmigen Verteilers 7 befestigt, der aus isolierendem Kunststoff besteht und an seinem unteren Ende eine Scheibe 8 (Figur 2) aus dem gleichen Werkstoff trägt. Wie im einzelnen aus Figur 2 hervor-

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geht, wird die Scheibe 8 von 8 Kapillarröhrchen 9 aus Metall durchragt, welche die Zerstäuberdüse bilden. Die Kapillarröhrchen 9 sind mit einem blanken Metalldraht 10 verlötet, der seinerseits über eine Hochspannungsleitung 11 mit der Hochspannungsklemme des Spannungswandlers 3 verbunden ist.

Der Verteiler 7 wird von einem umgestülpten Topf 12 aus isolierendem Kunststoff umgeben. Am Rand des Topfes 12 befindet sich ein Feldsteuerglied 13 in Form eines Metallrings, das über eine Erdleitung 14 geerdet ist. In das Feldsteuerglied 13 sind 3 Metallnadeln 15 integriert, die in einem gleichen Abstand voneinander um den Metallring herum angeordnet sind, die außen längst der Achse des Verteilers 7 und zu .dieser hin leicht geneigt gerichtet sind. Der Topf 12 kann unter Reibung längs des Verteilers 7 verschoben werden.

Zum Fertigmachen des Zerstäubers wird die Flasche 6 mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit in das Auge 5 eingeschraubt, während der Zerstäuber umgekehrt wie in Figur 1 gehalten wird. Danach wird der Zerstäuber wiederum umgedreht, so daß die Flüssigkeit in den Verteiler 7 eintreten und unter der Einwirkung der Schwerkraft aus den Kapillarröhrchen 9 heraustropfen kann.

Der Zerstäuber wird dann mittels des als Handgriff dienenden Rohrs 1 an die zu besprühenden Gegenstände herangeführt.

Durch Betätigung des Schalters 4 werden die Kapillarröhrchen 9 mittels des Spannungswandlers 3 gleichzeitig mit der gleichen Hochspannung versorgt. Dadurch wird die aus den Röhrchen austretende Flüssigkeit zerstäubt und elektrostatisch aufgeladen. Unter der Wirkung des elektrostatischen Feldes werden aus der geladenen Flüssigkeit kurze mobile Bänder gebildet, die an ihren Spitzen zu einem feinen

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Sprühnebel brechen. Während des Passierens der Nadeln 15 wird der erzeugte Sprühnebel mit einem so hohen elektrischen Potential mit entgegengesetzter Ladung aufgeladen, daß es hierdurch zu einer Korona- bzw. Spitzenentladung von den Nadelspitzen auf den Sprühnebel kommt, wodurch die Ladung des Sprühnebels wesentlich erniedrigt oder in einigen Fällen sogar ganz beseitigt wird.

Wenn das Feldsteuerglied 13 über die Erdleitung 14 geerdet ist, bewirkt das elektrostatische Feld rund um die Kapillarröhrchen 9 eine Verbesserung der Zerstäubung und des Abstrahlwinkels, selbst wenn das Potential an der Zerstäubungsdüse nur etwa 1O bis 15 kV beträgt, wobei es auf das Vorzeichen der Hochspannung nicht ankommt. Ferner beschränkt sich dank der engen Nachbarschaft des Fernsteuergliedes 13 mit der Zerstäubungsdüse die aus dem Spannungswandler 3 entnommene Strommenge im wesentlichen auf den Ladungsaus— tausch zwischen den Kapillarröhrchen 9 und der zerstäubten Flüssigkeit und ist deshalb außerordentlich gering.

Gewöhnlich beträgt die Ladungsdichte der zerstäubten Flüssigkeit etwa 5 χ IO Coulomb/1. Bei einem Flüssigkeitsverbrauch von beispielsweise 1 χ 10 1/sek beträgt der Stromverbrauch also nur 5 χ 10 A. Dies ergibt bei einer Hoch-

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spannung von 1 χ 10 V eine Ausgangsleistung.von nur 5 χ 10 W (5O mW). Bei diesem geringen Leistungsverbrauch kann die Le- bensdauer der Elemente 2 Hunderte von Stunden betragen.

Um das Feldsteuergiied 13 ganz oder nahezu auf Erdpotential zu halten, muß die Erdleitung 14 tatsächlich den Boden oder einen anderen Körper geringen Potentials und hoher Kapazität berühren. Bei einem tragbaren Sprühgerät, wie in Figur 1, reicht es aus, wenn man die Erdleitung 14 schleifen läßt_f so daB sie dauernd oder jedenfalls von Zeit zu Zeit die Erde berührt»

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Durch Verschieben des Topfes 12 längs des Verteilers 7 läßt sich die Lage des Feldsteuergliedes 13 hinsichtlich der Kapillarröhrchen 9 derart verändern, daß die besten Zerstäubungseigenschaften in Übereinstimmung mit der Potentialdifferenz zwischen dem Feldsteuerglied 13 und dem Kapillarröhrchen 9 sowie anderen Einflußgrößen, wie dem elektrischen Widerstand der Flüssigkeit, erreicht werden.

Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte elektrostatische Flüssigkeitszerstäuber läßt sich zwar zur Bildung eines Sprühnebels verwenden, dessen Ladung verringert oder in einigen Fällen sogar auf nahezu null herabgesetzt ist, er kann jedoch nicht leicht entsprechend eingestellt werden. In Figur 3 wird daher eine andere Form einer Zerstäubungsdüse gezeigt, bei der ein geerdetes Feldsteuerglied 2O aus Metall drei Metallnadeln 21 zur Korona- bzw. Spitzenentladung trägt. Die Schäfte 22 dieser Nadeln 21 sind mit einem Gewinde versehen, und auf jedem Schaft 22 ist eine mit einem entsprechenden Gewinde versehene Metallhaube 23 mit U-förmigem Schnitt vorhanden. Die Metallhaube .23 kann so auf dem Schaft 22 nach unten geschraubt werden, daß die Enden der Arme des U der Spitze der Nadel 21 gegenüberliegen (wie in Figur 4 gezeigt), oder die Metallhaube 23 läßt sich so weit auf dem Schaft 22 nach oben schrauben, daß die Spitze der Nadel 21 ziemlich weit aus den Armen des U herausragt (wie in Figur 5 gezeigt), oder es läßt sich auf diese Weise auch jede dazwischenliegende Stellung einregulieren. Befinden sich die Metallhauben 23 in der aus Figur 5 hervorgehenden Stellung, dann ist der Abschirmeffekt der Metallhauben 22 (Mantelelektroden) auf die Nadeln 21 vernachlässigbar, so daß der sich an der geladenen Düse 19 bildende Sprühnebel beim Passieren der Spitzen der Nadeln 19 durch Korona- bzw. Spitzenentladung nahezu vollständig entladen wird. Befinden sich die Metallhauben 23 dagegen in der aus Figur 4 hervorgehenden Stellung, dann ist der Abschirmeffekt praktisch vollständig, so daß es zu einer

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nur geringen .oder überhaupt keiner Entladung des Sprühnebels kommt. Durch geeignete Einregulieiung der Lage der Metallhauben 23 zwischen den aus den Figuren 4 und 5 hervorgehenden Stellungen läßt sich somit das"Ausmaß der Entladung des Sprühnebels entsprechend verändern.

Die den Figuren 3-5 entsprechenden Flüssigkeitszerstäuber ermöglichen somit in flexibler Weise den jeweiligen Wünschen entsprechend die Bildung eines sowohl ungeladenen als auch hochgeladenen Sprühnebels. Jede der drei Metallhauben 23 muß zu diesem Zweck jedoch getrennt eingestellt werden, was beim Gebrauch lästig sein kann. Dieses Problem läßt sich durch den aus Figur 6 im senkrechten Schnitt hervorgehenden Zerstäubungskopf beseitigen. Dieser Zerstäubungskopf besteht aus einem rohrförmigen Verteiler 30 aus Kunststoff, der 4 Kapillarröhrchen 31 aus Metall enthält, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen werden können. An der Außenseite des Verteilers 30 ist eine auf Schiebesitz passende Innenhülse 32 angeordnet, die auf entsprechenden Streben 33 einen mit der Erde verbundenen metallischen Feldeinstellring 34 enthält. Auf der Innenhülse 32 befindet sich dichtsitzend eiije Außenhülse 35. Die Außenhülse 35 enthält nicht gezeigte längliche Führungsnuten, in die entsprechende längliche Führungsfedern an der Innenhülse 32 eingreifen, so daß sich die Außenhülse 35 in bezug auf die Innenhülse 32 zwar nach oben und unten bewegen läßt, eine Drehbewegung zwischen diesen beiden Bauelementen jedoch ausgeschlossen ist. Von der Außenhülse 35 führen 4 geerdete Metallnadeln 36 nach unten in Bohrungen 37, die im metallischen Feldeinstellring 34 vorhanden sind. Betätigt man die in Figur 6 gezeigte Zerstäubungsdüse in der angegebenen Stellung, dann tritt aus den geladenen Kapillarröhrchen 31 Flüssigkeit aus, die durch das zwischen den Kapillarröhrchen 31 und dem geerdeten Feldeinstellring 34 herrschende Feld zu einem Band gezogen wird, welches anschließend zu hochgeladenen Tröpfchen zerbricht. Die Tröpfchen strömen dann durch den FeId-

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einsteilring 34 an den Spitzen der Nadeln 36 vorbei, wodurch eine so hohe Ladung induziert wird, daß es an den Spitzen der Nadeln unter starker Erniedrigung der Ladung der Tröpfchen zu einer elektrischen Entladung kommt. Die Außenhülse 35 läßt sich an der Innenhülse 32 gewünschtenfalls so weit hochschieben, daß die Spitzen der Nadeln 36 in den Bohrungen 37 des Feldeinstellrings 34 abgeschirmt sind, wobei man dann zu einem hochgeladenen Sprühnebel gelangt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird mit drei oder vier Nadeln gearbeitet, gewünschtenfalls können jedoch auch mehr oder weniger Nadeln vorhanden sein. Ein gewisses Ausmaß an Entladung eines Sprühnebels läßt sich bereits mit einer einzigen Nadel erreichen. Es lassen sich auch schlitzförmige Zerstäubungsdüsen verwenden, bei denen ggf. ein Dutzend oder mehr Nadeln benötigt werden, die in einem regelmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind. Statt dessen läßt sich ggf. zur Entladung eines Sprühnebels auch eine klingenartige geerdete Zerstäubungsdüse einsetzen.

Bei den erläuterten Ausgestaltungen sind alle Nadeln in einem regelmäßigen Abstand voneinander um den Strömungsweg des Sprühnebels herum angeordnet. Dies ist jedoch nicht immer notwendig. Es läßt sich vielmehr auch mit asymmetrisch angeordneten Nadeln eine teilweise entladene Sprühnebelwolke erzielen, deren einzelne Tröpfchen verschieden geladen sind. Dies kann beispielsweise beim Besprühen von Nutzpflanzen von Vorteil sein, wo man die beste Verteilung des Sprühnebels durch die Nutzpflanzen unter Einsatz eines Gemisches aus ungeladenen und hochgeladenen Tröpfchen erhält. Eine Sprühnebelwolke gleicher Art läßt sich ferner auch durch Verwendung einer Zerstäubungsdüse erreichen, deren Nadeln in einem regelmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind und die einstellbare Mantelelektroden aufweist, indem man nur einige Nadeln abschirmt und andere wiederum nicht.

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Eine andere-Methode zur Steuerung des Entladungsgrads von Sprühnebeltröpfchen besteht darin, daß man zwischen den Nadelelektroden und der Erde für einen hohen Widerstand sorgt. Auf diese Weise wird der von der Elektrode aus der Erde aufgenommene induzierte Entladungsstrom erniedrigt, so daß sich auch das Ausmaß der Entladung der Sprühnebelwolke verringert. Gestaltet man den hohen Widerstand variabel, dann läßt sich das Ausmaß der Sprühnebelentladung ohne weiteres entsprechend steuern. In einem solchen Fall braucht man die Nadelelektroden nicht getrennt von der Feldeinstellelektrode zu erden, da sonst das die Vernebelung hervorrufende Feld geschwächt wird.

In gewissen Fällen kann sich auch der Einsatz anderer elektrischer Vorrichtungen (sowohl aktiver als auch passiver) zur Begrenzung des EntiadungsStroms an den Spitzen der Nadelelektroden anbieten.

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ZUSAMMENFASSUNG;

Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten durch elektrostatische Atomisierung, wobei die geladenen Teilchen nach ihrer Bildung durch eine ionische Entladung, die durch eine scharfe gperdete Elektrode eingeleitet wird, wenigstens teilweise wieder entladen werden, und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens..

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

Verfahren zum elektrostatischen Zerstäuben von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit durch elektrostatische Aufladung zerstäubt und die hierbei entstandenen elektrisch geladenen Teilchen durch eine ionische Entladung wenigstens teilweise entlädt, indem man die Teilchen über eine geerdete scharfkantige oder spitze Elektrode führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu versprühende Flüssigkeit ein Pestizid ist.
3. Elektrostatischer Flüssigkeitszerstäuber zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: Einrichtungen zum Transport einer Flüssigkeit an eine Zerstäubungsstelle; Einrichtungen, mit denen sich die an der Zerstäubungsstelle befindliche Flüssigkeit so stark aufladen läßt, daß die Flüssigkeit zu geladenen Tröpfchen zerstäubt und auf eine Bahn nach außen geschleudert wird; und durch eine dazu benachbarte geerdete Elektrode mit scharfen oder spitzen Ecken oder Kanten, die in der Bahn oder längs der Bahn der Tröpfchen angeordnet ist.
4. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Verstärkung des elektrostatischen Feldes zur Zerstäubungsstelle benachbart weiter eine geerdete Feldeinstellelektrode enthält.
5. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die scharfen oder spitzen Ecken oder Kanten der geerdeten Elektrode mit Mantelelektroden versehen sind.

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6.. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mantelelektroden derart einstellbar angeordnet sind, daß sich die scharfen oder spitzen Ecken oder Kanten mehr oder weniger stark abschirmen lassen.
7. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geerdete Elektrode über einen hohen Widerstand mit der Erde verbunden ist.
8. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim verwendeten Widerstand um einen veränderbaren Widerstand handelt.

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