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"Ionisationskammer für die Ionisation von gasförmigem Sauerstoff"
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Die Erfindung betrifft eine Ionisationskammer für die Ionisation von
gasförmigem Sauerstoff, insbesondere von 02 (med), mit einem Gehäuse mit einer Zuströmöffnung
für den Sauerstoff und mit zwei im Gehäuse angeordneten Elektroden, nämlich einer
Anode und einer Kathode, wobei die zwischen Anode und Kathode anstehende Spannung
vorzugsweise eine Gleichspannung ist.
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Ionisationskammern für strömende zu ionisierende Medien sind bekannt
und weisen regelmäßig ein langgestrecktes, zylindrisches Gehäuse auf, in das das
zu ionisierende Medium an einer Stirnseite einströmt und aus dem das ionisierte
Medium im Bereich der anderen Stirnseite abströmt. Die Anode ist bei einer solchen
bekannten Ionisationskammer normalerweise mittig als sich in Längsrichtung des Gehäuses
erstreckender Draht oder Stab ausgebildet.
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Die Kathode umgibt die Anode meist konzentrisch in Form eines Zylindermantels,
häufig dient auch der Zylindermantel des Gehäuses selbst als Kathode. Jedenfalls
strömt das zu ionisierende Medium parallel zu der Anode und Kathode (vgl. z. B.
das "Lehrbuch der anorganischen Chemie" von Hollernan, Wiberg, Berlin 1964, Seite
178).
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Die Ionisierung von strömenden Medien hat eine große Bedeutung, insbesondere
gilt das für die Ionisierung von Raumluft und von reinem Sauerstoff. Vielfältige
Untersuchungen haben gezeigt, daß die Ionenkonzentration der Raumluft einen wesentlichen
Einfluß auf das Wohlbefinden von Personen hat. Eine zu geringe Ionenkonzentration
wirkt sich ungünstig auf das Wohlbefinden aus (vgl. LUEGER "LEXIKON DER TECHNIK",
Band 6, "Lexikon der Energietechnik und Kraftmaschinen" DVA, Stuttgart 1965, Seiten
90 und 91, Stichwort "Behaglichkeit (Wohlbefinden)"). Abgesehen davon gibt es im
medizinischen Bereich vielfältige therapeutische Anwendungen für stark ionisierten
gasförmigen Sauerstoff. Das Einatmen von gasförmigem Sauerstoff ist für bestimmte
medizinische Behandlungsmethoden von großer Bedeutung.
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Bei der Ionisierung von gasförmigem Sauerstoff ist mit den zuvor erläuterten,
bekannten Ionisationskammern eine Ionenkonzentration bis ca. 15.000 Ionen pro cm3
erreichbar. Gleichzeitig wird aber bei der Ionisierung von Sauerstoff
in
beachtlichem Maße Ozon (03) gebildet. Das ist sehr störend, insbesondere bei medizinischen
Anwendungen, da Ozon in größeren Konzentrationen verätzend auf die Atmungsorgange
wirkt.
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Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Ionisationskammer anzugeben, mit der eine hohe Ionenkonzentration
bzw. Ladungsträgerkonzentration im Sauerstoff erzielbar ist und gleichwohl die Bildung
von Ozon vermieden wird.
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Die erfindungsgemäße Ionisationskammer, bei der die zuvor aufgezeigte
Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Kathode im
wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Sauerstoffes verlaufend und in Strömungsrichtung
des Sauerstoffes hintereinander angeordnet sind. Überraschend hat sich gezeigt,
daß mit einer derartig ausgebildeten Ionisationskammer Ionenkonzentrationen bis
zu 1.500.000 Ionen pro cm3 erreicht werden können bzw.
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entsprechende Ladungsträgerkonzentrationen. Die Unterscheidung zwischen
Ionenkonzentration und Ladungsträgerkonzentration trägt der Tatsache Rechnung, daß
bei positiv ionisiertem Sauerstoff eine reine Ionenkonzentration vorliegt, während
bei negativ ionisiertem Sauerstoff meßtechnisch nicht festgestellt werden kann,
ob hier nicht freie Elektronen als hauptsächliche Ladungsträger dienen. Bei der
Ionisierung von Sauerstoff wird man primär an eine positive Ionisierung denken,
insbesondere bei medizinischen Anwendungen. Dabei hat sich überraschend herausgestellt,
daß eine derart starke Ionisierung von Sauerstoff mit der erfindungsgemäßen Ionisationskammer
möglich ist, ohne daß Ozon gebildet wird. Möglicherweise ist aufgrund der erfindungsgemäß
vorgesehenen Anordnung der Anode und der Kathode die Wechselwirkung der Sauerstoffinoleküle
mit dem elektrischen Feld gerade intensiv genug, um eine Ionisierung zu ermöglichen,
jedoch zu gering, um eine Bildung atomaren Sauerstoffs als Vorstufe der Bildung
von Ozon zu ermöglichen.
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Zuvor ist erläutert worden, daß die Lehre der Erfindung zur Gewinnung
positiv ionisierten Sauerstoffes eine besondere Bedeutung hat. Zur Gewinnung positiv
ionisierten Sauerstoffes wird die Anode in Strömungsrichtung des Sauerstoffes
hinter
der Kathode angeordnet. Dadurch werden die bei der Ionisierung freigesetzten Elektronen
an der Anode eingefangen, während die positiven Sauerstoffionen aufgrund ihrer großen
Masse natürlich nicht zur Kathode zurück kehren können. Eine umgekehrte Anordnung
von Anode und Kathode empfiehlt sich selbstverständlich dann, wenn negativ ionisierter
Sauerstoff gewonnen werden soll.
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Aus anwendungstechnischen Gründen empfiehlt es sich, die Kathode als
Bezugselektrode mit festem Bezugspotential, insbesondere als Masseelektrode (PE-Elektrode),
auszuführen und lediglich das Potential an der Anode zu verändern, wenn dies notwendig
ist.
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Im einzelnen gibt es natürlich verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße
Ionisationskammer auszugestalten und weiterzubilden, insbesondere hinsichtlich der
Konstruktion der Anode und der Kathode. Dazu empfiehlt es sich zunächst, die Anode
und die Kathode als quer zur Strömungsrichtung des Sauerstoffes gespannte Elektrodendrähte
auszubilden. Anode und Kathode können natürlich auch aus mehreren parallel angeordneten,
gewissermaßen ein Gitter bildenden Elektrodendrähten bestehen. Für die Ionisierung
von Sauerstoff hat sich dabei gezeigt, daß die Elektrodendrähte besonders zweckmäßig
als Kupferdrähte ausgeführt werden können.
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Wie zuvor schon erläutert worden ist, ist die Frage der Ionisation
von Sauerstoff ohne Ozonbildung letztlich eine Frage der Wechselwirkung des strömenden
Sauerstoffes mit dem elektrischen Feld. Die Feldstärke des elektrischen Feldes ist
einerseits eine Frage der Spannung zwischen Anode und Kathode, andererseits eine
Frage der geometrischen Struktur von Anode und Kathode, d. h. der Feldliniendichte.
Möglicherweise liegt hier die Erklärung für eine überraschende Feststellung, daß
nämlich die Ozonbildung bei der Ionisierung von Sauerstoff mit der erfindungsgemäßen
Ionisationskammer besonders sicher verhindert werden kann, wenn die die Anode und
die Kathode bildenden Elektrodendrähte mit einer Lackschicht versehen sind. Dies
gilt insbesondere bei Verwendung von Kupferdrähten als Elektrodendrähte.
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Die Zündspannung der erfindungsgemäßen Ionisationskammer wird erniedrigt
und die Ozonbildung wird noch sicherer verhindert, wenn die Anode und die Kathode,
vorzugsweise etwa mittig in bezug auf die Sauerstoffströmung, jeweils eine, in einer
Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Sauerstoffes liegende Abstufung aufweisen.
Diese Abstufungen können jeweils eine Stufe (nach oben oder nach unten) oder auch
zwei Stufen (nach oben und wieder nach unten oder umgekehrt) aufweisen. Grundsätzlich
können diese Abstufungen auch noch eine größere Anzahl von Stufen aufweisen bis
hin zu einer Art Wellenform.
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Die durch eine derartige Führung der Elektroden erzeugte Inhomogenität
des elektrischen Feldes im Gehäuse der erfindungsgemäßen Ionisationskammer führt
zu der erwünscht niedrigen Zündspannung.
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Um bei der zuvor erläuterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Ionisationskammer wiederum auch unerwünscht hohe Feldstärken zu verhindern, sollten
die Abstufungen nicht zum Auftreten von scharfen Kanten führen. Dementsprechend
geht eine Lehre der Erfindung dahin, die die Anode und die Kathode bildenden Elektrodendrähte
in den Abstufungen mit ausreichend großen Krümmungsradien, insbesondere mit Krümmungsradien
von mindestens 1,5 mm, auszuführen. Außerdem empfiehlt es sich, die Abstufung der
Anode und die Abstufung der Kathode einander entgegengerichtet auszuführen, so daß
sich als Projektion dieser Abstufungen in Strömungsrichtung des Sauerstoffes gewissermaßen
eine langgestreckte, rahmenartige Öffnung ergibt. Eine solche Konstruktion der erfindungsgemäßen
Ionisationskammer hat nach den Untersuchungen der Anmelderin zu minimaler Ozonbildung
geführt.
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In konstruktiver Hinsicht empfiehlt es sich, daß der Abstand zwischen
der Zuströmöffnung und der nächstliegenden Elektrode, vorzugsweise der Kathode,
zwischen 5 und 20 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 15 mm, beträgt. Damit wird das
in der lonisationskammer bestehende elektrische Feld optimal ausgenutzt.
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Außerdem hat sich herausgestellt, daß der Abstand zwischen der Anode
und der Kathode zweckmäßigerweise zwischen 10 und 50 mm, vorzugsweise etwa zwischen
20 und 30 mm, liegen sollte. Schließlich hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß
der Durchmesser der die Anode und die Kathode bildenden Elektrodendrähte
0,2
bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 mm, insbesondere etwa 0,4 mm, beträgt. Letzteres
hat mit einer Optimierung der an den Elektrodendrähten auftretenden maximalen Feldstärken
zu tun und hängt auch mit der Dicke der Lackschicht auf den Elektrodendrähten zusammen.
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Vorausgesetzt, daß die Kathode in bevorzugter Lehre der Erfindung
auf Massepotential liegt, empfiehlt sich für die Anode eine Gleichspannung von höchstens
10 kV.
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Hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung des Gehäuses der Ionisationskammer
gemäß der Erfindung empfiehlt es sich zunächst, dieses aus einem elektrisch nichtleitenden
Material, vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere aus PVC, herzustellen.
PVC bringt als besondere Vorteile für die vorliegende Anwendung eine hohe elektrische
Durchschlagsfestigkeit, eine geringe Kriechstromempfindlichkeit, begrenzt antistatische
Eigenschaften, gute Bearbeitugsmöglichkeiten für die Oberflächen sowie geringe Kosten
in der Herstellung mit.
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Generell gilt, daß durch ein Gehäuse aus einem elektrisch nichtleitenden
Material besonders gut definierte Feldverhältnisse im Inneren der Ionisationskammer
erreicht werden.
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Praktische Versuche haben als besonders zweckmäßig ergeben, daß das
Gehäuse als zylindrischer Topf mit Gehäusemantel und Gehäusestirnflächen ausgeführt
ist, daß die Zuströmöffnung und die Abströmöffnung im Gehäusemantel angeordnet sind
und daß die Anode und die Kathode durch die Gehäusestirnflächen in das Innere des
Gehäuses geführt sind.
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Schließlich besteht eine weitere Lehre der Erfindung darin, mehrere
Ionisationskammern zu einer Mehrfachkammer zu koppeln. Das kann mit zwei Ionisationskammern
in Form einer Doppelkammer erfolgen, durchaus aber auch mit mehreren Ionisationskammern.
Die Anzahl der Ionisationskammern hängt vom jeweiligen Einsatzfall ab. Eine Mehrzahl
kleinerer Ionisationskammern ist aus Gründen der Feldverhältnisse günstiger als
eine große Ionisationskammer. Das läßt sich unter Berücksichtigung der voranstehenden
Ausführungen für die eine
erfindungsgemäße Ionisationskammer, insbesondere
die verschiedenen Maßangaben, leicht nachvollziehen. Konstruktiv zweckmäßig ist
es dabei unter Umständen, zwar die Sauerstoffströmungen in den einzelnen Ionisationskammern
voneinander zu trennen, gleichwohl aber die Anode und die Kathode durch alle lonisationskammern
hindurchzuziehen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher erläutert, es zeigt Fig. 1 in schematischer Darstellung
eine Ionisationskammer gemäß der Erfindung, Fig. 2 teilweise geschnitten ein erstes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ionisationskammer, Fig. 3 den Teilschnitt
III - III aus Fig. 2, Fig. 4 den Teilschnitt IV - IV aus Fig. 2 und Fig. 5 in perspektivischer
Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ionisationskammer.
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Fig. 1 läßt das Grundprinzip der Erfindung erkennen. Die dargestellte
Ionisationskammer ist für die Ionisation von gasförmigem Sauerstoff bestimmt und
weist ein Gehäuse 1 mit einer Zuströmöffnung 2 und einer Abströmöffnung 3 für den
Sauerstoff auf. An der Zuströmöffnung 1 und der Abströmöffnung 3 ist jeweils ein
Anschlußstutzen 4 angedeutet. Die eingezeichneten Pfeile geben die Strömungsrichtung
des Sauerstoffes an. Im Gehäuse 1 sind Elektroden, nämlich eine Anode 5 und eine
Kathode 6, vorgesehen. Deutlich erkennbar ist, daß die Anode 5 und die Kathode 6
quer zur Strömungsrichtung des Sauerstoffes verlaufend und in Strömungsrichtung
des Sauerstoffes hintereinander angeordnet sind.
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Dabei ist hier die Anode 5 in Strömungsrichtung des Sauerstoffes hinter
der Kathode 6 angeordnet. Mit dieser Anordnung tritt positiv ionisierter Sauerstoff
aus der Abströmöffnung 3 aus.
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Fig. 1 zeigt, daß im dargestellten Ausführungsbeispiel die Anode 5
und die Kathode 6 als quer zur Strömungsrichtung des Sauerstoffes gespannte Elektrodendrähte
ausgebildet sind. Nicht erkennbar ist, daß diese Elektrodendrähte aus Kupfer bestehen,
also als Kupferdrähte ausgeführt sind und einen Durchmesser von ca. 0,4 mm aufweisen.
In der Zeichnung ist auch nicht erkennbar, daß diese als Kupferdrähte ausgeführten
Elektrodendrähte mit einer Lackschicht versehen sind. Das aber ist besonders vorteilhaft
für eine Verhinderung der Ozonbildung.
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Die in Fig. 1 mit dem Buchstaben "U" angedeutete, an der Anode 5 angelegte
Gleichspannung ist zwischen 0 und 10 kV regelbar. Die Kathode 6 ist als Masseelektrode
ausgeführt.
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Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen den konstruktiven Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Ionisationskammer, das nach dem in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten
Funktionsprinzip arbeitet. Durch Pfeile ist in den Fig. 2 und 4 die Strömungsrichtung
des Sauerstoffes angedeutet.
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Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen insoweit ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ionisationskammer, als der Abstand zwischen der Zuströmöffnung
2 und der nächstliegenden Elektrode, in diesem Fall der Kathode 6, ca. 10 mm und
der Abstand zwischen der Kathode 6 und der Anode 5 hier ca. 20 mm beträgt. Dies
ist für eine optimale Ausnutzung des elektrischen Feldes und für eine optimal ozonfreie
Ionisierung des Sauerstoffes eine besonders zweckmäßige Bemessung. Das Gehäuse 1
besteht hier aus einem elektrisch nichtleitenden Material, nämlich aus PVC, das
die weiter oben erläuterten technischen Vorteile hat.
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Das in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Ionisationskammer unterscheidet sich von dem in den Fig. 2 bis 4 dargestellten ersten
Ausführungsbeispiel zunächst und im wesentlichen dadurch, daß die Anode 5 und die
Kathode 6 etwa mittig in bezug auf die Strömung des Sauerstoffes
jeweils
eine in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Sauerstoffes liegende Abstufung
7 bzw. 8 aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Lehre
der Erfindung sind hier die die Anode 5 und die Kathode 6 bildenden Elelktrodendrähte
in den Abstufungen 7, 8 mit ausreichend großen Krümmungsradien, hier mit Krümmungsradien
von ca. 1,5 mm, geführt.
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Diese Abstufungen 7, 8, hier als doppelte Abstufungen zur Ausbildung
von Einsenkungen ausgeführt, führen zu einer Inhomogenität des elektrischen Feldes
zwischen der Anode 5 und der Kathode 6, wodurch die Zündspannung der Ionisationskammer
herabgesetzt wird. Die Größe der Krümmungsradien ist dabei von Bedeutung, um keine
zu hohen Feldstärken auftreten zu lassen, so daß eine Ozonbildung im Sauerstoff
verhindert wird. Besonders bedeutsam ist bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel,
daß die Abstufung 7 der Anode 5 und die Abstufung 8 der Kathode 6 in zueinander
parallelen Ebenen liegen, jedoch einander entgegengerichtet sind. Die Projektion
dieser Abstufungen 7, 8 in Strömungsrichtung des Sauerstoffes stellt eine rahmenartige
Öffnung, eine Art Langloch, dar. Das ist für die optimale Ionisation des Sauerstoffes
ohne Bildung von Ozon nach den durchgeführten Versuchen besonders günstig.
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Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß nach bevorzugter Lehre
der Erfindung das Gehäuse 1 als zylindrischer Topf mit Gehäusemantel 9 und Gehäusestirnflächen
10, 11 ausgeführt ist, daß die Zuströmöffnung 2 und die Abströmöffnung 3 im Gehäusemantel
9 angeordnet sind und daß die Anode 5 und die Kathode 6 durch die Gehäusestirnflächen
10, 11 in das Innere des Gehäuses 1 geführt sind. Fig. 5 läßt dabei noch erkennen,
daß beide Elektroden außerhalb des Gehäuses 1 isoliert geführt sind, und zwar die
nach bevorzugter Lehre der Erfindung als Bezugselektrode auf Massepotential liegende
Kathode 6 mit der üblichen PE-Isolation und die auf positivem bzw. negativem Potential
liegende Anode 5 mit üblicher Hochspannungs-Isolation.
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Nicht dargestellt ist in den Figuren, daß auch mehrere Ionisationskammern
zu einer Mehrfachkammer gekoppelt sein können, wie das weiter oben erläutert worden
ist.