DE69300093T2 - Vorrichtung zur Bildung von angeregten oder instabilen gasförmigen Molekülen und Benutzung dieser Vorrichtung. - Google Patents
Vorrichtung zur Bildung von angeregten oder instabilen gasförmigen Molekülen und Benutzung dieser Vorrichtung.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bildung angeregter oder instabiler Gasmoleküle, die einen röhrenförmigen Gasdurchtritt mit einer Achse aufweist, der zwischen einer ersten Elektrode und einem Dielektrikum koaxial zu der ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode zugeordnet gebildet ist, wobei die Elektroden mit einer Hochspannungs-Hochfrequenzquelle verbunden sind.
- Eine Entladungsvorrichtung dieser Bauart ist aus dem Dokument EP-A-0 160 964 bekannt, das einen Ozonisator mit axialem Kreislauf des anzuregenden Gases in dem Gasdurchtritt beschreibt.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Vorrichtung kompakter Konfiguration vorzuschlagen, die eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit und erhöhte Zuverlässigkeit aufweist sowie für zahlreiche Verwendungen geeignet ist.
- Gemäß einem Merkmal der Erfindung umgibt hiertür die erste Elektrode das Dielektrikum und weist einen langgestreckten Gaseinlaß und einen langgestreckten Gasauslaß auf, die parallel zu der Achse und im wesentlichen diametral gegenüberliegend sind, wobei die zweite Elektrode auf der Innenwand des Dielektrikums aufgetragen ist.
- Entsprechend speziellerer Merkmale der Erfindung:
- - ist die zweite Elektrode durch Metallisierung der Innenwand des Dielektrikums gebildet, dessen Außenwand mit einer Emailleschicht überzogen ist;
- - haben der Gaseinlaß und der Gasauslaß der ersten Elektrode eine Höhe, welche die radiale Dicke des Gasdurchtritts nicht übersteigt, der wiederum 2,5 mm nicht übersteigt;
- - sind Einrichtungen zur Begrenzung des elektrischen Feldes im Bereich der axialen Enden der zweiten Elektrode vorgesehen, um die Bildung von Mikroentladungen an der Oberfläche des Dielektrikums auf der Höhe seiner Enden zu verhindern.
- Mit einer derartigen Anordnung, die eine Entladung mit dielektrischer Barierre aufweist, kann man bei äußerst kompaktem Volumen eine "kalte" elektrische Entladung von mehreren kW, die nach den Verfassern auch als Corona-Entladung oder "Silent Discharge" oder "Atmospheric Pressure Glow Discharge" mehrerer kW bezeichnet wird, bei einem Druck zwischen 0,3 x 10&sup5; Pa und 3 x 10&sup5; Pa, zum Beispiel bei Atmosphärendruck, realisieren, die eine verbesserte Ausbeute angeregter Arten aufweist (Verhältnis der in dem Gas in Form angeregter Arten von Schwingungsquanten gespeicherten Leistung zu der von der Vorrichtung gelieferten Gesamtleistung), die 50% übersteigt, ohne daß eine signifikante Erwärmung beim Austritt des Gases auftritt, und für zahlreiche Verwendungen mit unterschiedlichen Gasen geeignet ist.
- Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon zur Versorgung eines CO&sub2;-Gemischlasers zur Erzeugung von Nitrierungsatmosphären für Metalle und für die Erzeugung reduzierender Atmosphären zur Beizung zu verwenden.
- Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die zur Veranschaulichung, jedoch in keinerlei Weise als Einschränkung, angegeben werden, anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:
- - Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- - Fig. 2 eine Ansicht eines Längsschnitts eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist; und
- - Fig. 3 eine Einzelheit eines Ausführungsbeispiels eines Endes des erfindungsgemäßen Dielektrikums in vergrößertem Maßstab ist.
- In der folgenden Beschreibung und in der Zeichnung haben identische oder analoge Elemente die gleichen, eventuell indizierten, Bezugszeichen.
- Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erste rohrförmige Elektrode 1, die zum Beispiel von der Innenfläche eines Metallblockes 2 gebildet ist und in welcher eine Rohreinheit aus dielektrischem Material 3, wie zum Beispiel aus Keramik, konzentrisch angeordnet ist, auf deren Innenfläche eine zweite Elektrode 4 mittels Metallisierung aufgetragen ist (zum besseren Verständnis in Fig. 1 übertrieben dick gezeichnet). Die Einheit aus Dielektrikum 3 und zweiter Elektrode 4 begrenzt somit mit der ersten Elektrode 1 außen einen rohriörmigen Gasdurchtritt 5 und innen ein inneres Volumen 6, in welchem man ein Kühlmittel zirkulieren läßt, und zwar vorteilhafterweise ein Freon wegen seiner elektronegativen Eigenschaften. Der innere Gasdurchtritt 5 hat eine axiale Ausdehnung von weniger als 1 Meter, typischerweise von weniger als 50 cm, und seine radiale Dicke e übersteigt nicht 3 mm und ist typischerweise kleiner als 2,5 mm.
- Der Block 2 umfaßt zwei diametral gegenüberliegende Längsschiitze 7 und 8, die jeweils den Einlaß des anzuregenden Gases in den Durchtritt 5 und den Auslaß des die angeregten oder instabilen Gasmoleküle aufweisenden Gasstromes bilden. Die Schlitze 7 und 8 erstrecken sich über die gesamte axiale Länge des Hohlraumes 5 und haben eine Höhe, welche die Dicke e nicht überschreitet und typischerweise im wesentlichen gleich dieser letzteren ist. Der Körper 2 ist am Randbereich der ersten Elektrode 1 vorteilhafterweise mit einer Vielzahl von Leitungen 60 für den Durchtritt eines Kühlmittels, wie zum Beispiel Wasser, versehen. Der Gaseinlaß 7 kommuniziert mit einer Homogenisierungskammer 9 in einem an den Block 2 angefügten Gehäuse 10 und die einen Stutzen 11 für die Zuführ von Gas bei einem Druck zwischen 0,3 x 10&sup5; Pa und 3 x 10&sup5; Pa, das von eine Gasquelle 12 stammt, aufweist. Die Elektroden 1 und 4 sind mit einem elektrischen Hochspannungs-Hochrrequenzgenerator 13 verbunden, der bei einer Frequenz oberhalb von 15 kHz arbeitet, wobei die gegenwärtigen technologischen Grenzen 60 kHz bei einer Leistung von etwa 10 kW sind. Der die an dem Auslaß 8 zur Vertügung stehenden angeregten Arten enthaltende Gasstrom wird einem Nutzanschluß 14 zugeführt, wie man im folgenden sieht.
- In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 erkennt man das dielektrische Rohr 3 einer Dicke von etwa 2 mm mit seiner inneren Metallisierung 4, welches die zweite Elektrode bildet, wobei die erste Elektrode 1 hier aus einem Metallrohr besteht, welches diametral gegenüberliegende Schlitze aufweist, die den Einlaß 7 und den Auslaß 8 bilden. Die erste Elektrode 1 und das dielektrische Rohr 3 sind zur Bildung einer dichten, koaxialen Einheit zusammengesetzt mittels eines ersten isolierenden Endansatzes 15 und eines zweiten isolierenden Endansatzes 16, wobei die Einheit abdichtend gleitend in eine Bohrung 17 eines quadertörmigen Körpers 20 eingefügt ist, der eine längliche Einlaßöffnung 18, in welche der Einlaß 7 mündet, und eine längliche Auslaßöffnung 19, in welche der Auslaß 8 der ersten Elektrode mündet, aufweist.
- Die zur Herstellung des dielektrischen Rohrs 3 verwendeten Keramiken weisen zwar ausgezeichnete elektrische Eigenschaften auf, die für die Herstellung von Kondensatoren geeignet sind, doch haben sie im allgemeinen, selbst wenn sie poliert sind, körnige Oberfiächen, die Beeinträchtigungen bei Coronaentladungen mit sich bringen. Um dem abzuhelfen, ist die äußere Oberfiäche des Dielektrikums 3 gemäß einem Aspekt der Erfindung mit einer dünnen Emailleschicht 21 überzogen, und zwar von weniger als 100 um, typischerweise ca. 20 um. Andererseits ermöglicht zwar der innere Kontakt zwischen der inneren Elektrode und dem Dielektrikum 3, daß die Bildung von Mikroentladungen entlang letzterer selbst beim Einsatz sehr großer, für die Paamng Dielektrikum 3 - Emaille 21 zulässiger Leistungen verhindert wird, jedoch treten Probleme einer starken örtlichen Verstärkung des elektrischen Feldes an den Enden der inneren Elektrode 4 auf. Um dem abzuhelfen, wird die innere Elektrode 4 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 mittels eines mittleren, rolrrtörmigen Leiters 22 versorgt, der an die entgegengesetzten Enden der Elektrode 4 mittels nachglebiger metallischer Kontakte mit erweitertem Profil 23 angeschlossen ist, dessen Profil eine langsame und kontinuierliche Entwicklung der durch die Elektrode 4 gebildeten Äquipotentialfläche ermöglicht, indem die Glimmentladung in die Kühlllüssigkeit verhindert wird, wobei die Risiken einer Glimmentladung noch beträchtlich verringert werden, wenn man als Kühlmittel einen Chlorfluorkohlenstoff wegen seines stark elektronegativen Charakters verwendet. In der Tat durchquert der rohrförmige Leiter 22 gemäß einem Aspekt der Erfindung den zweiten isolierenden Ansatz 16, der durch einen Metallblock 24 blockiert ist und ein Anschlußstück an die Quelle 13 bildet, wobei der Ansatz 16 einen radialen Durchtritt 25, der in den Leiter 22 mündet, und einen zweiten radialen Durchtritt 26, der in die innere Kammer 6 mündet, aufweist, um in dieser einen Ölkühlkreislauf zu erzeugen. In einer Abwandlung können die Einrichtungen zur Spitzenbegrenzung des elektrischen Feldes in Höhe der Enden der Hochspannungselektrode 4 mittels einer Verdickung, die vorzugsweise zum Inneren Ende des dielektrischen Rohres 3 fortschreitet, verwirklicht werden oder indem man zwischen dem Ende des Dielektrikums 3 und dem Ende gegenüber der ersten Elektrode 1 einen dielektrischen Ring hinzufügt, dessen kreisringförmige Endfiächen ebenso emailliert sind wie das dielektrische Rohr 3 und dessen Endbereich vorteilhafterweise metallisiert ist.
- Eine andere Abwandlung dieser Einrichtungen zur Begrenzung von Spitzen des elektrischen Feldes ist in Fig. 3 dargestellt, und zwar in Form metallischer Schutz- bzw. Abschirmringe 27, die in der Verlängerung des Endes der Hochspannungselektrode 4 angeordnet sind und so wie das Ende der Elektrode 4 mit einer inneren Emailleschicht 28 gleicher Art wie die äußere Emailschicht 21 überzogen sind.
- Wie oben erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden, um angeregte Arten unterschiedlicher Gase zu erzeugen.
- Falls das in die Vorrichtung eingeführte Gas überwiegend Stickstoff enthält, typischerweise mit einem Gehalt von mehr als 78% in einer typischerweise Sauerstoff enthaltenden Mischung, erzeugt diese Vorrichtung im wesentlichen zu Schwingungszuständen angeregten Stickstoff, aber auch atomaren Stickstoff und molekularen Stickstoff, der auf dem Niveau A³ Σ g&spplus; angeregt ist. Der zu Schwingungszuständen angeregte Stickstoff findet zwei Hauptanwendungen, nainlich bei CO&sub2;-Gemisch-Hochleistungslasern, bei denen der angeregte Stickstoff schleunig mit CO&sub2; gemischt wird, an das er seine Energie überträgt, wodurch die für den Lasereffekt notwendige Populationsinversion erzeugt wird, sowie bei der Nitrierung von Metalloberfiächen bei begrenzter Erwärmung des Metalls. Der Stickstoffgehalt spielt eine wichtige Rolle. CO&sub2;-, CO-, H&sub2;- und vor allem H&sub2;O-Verunreinigungen, welche den Stickstoff im Schwingungszustand entregen, müssen begrenzt sein. In Gegenwart von Sauerstoff in dem Stickstoff sinkt die Produktionsausbeute ungefähr proportional mit der Sauerstoffkonzentration. Für Nitrierungsbehandlungen ist Stickstoff mit einem Gehalt von 5% Sauerstoff; der vorteilhafterweise mittels Permeation oder Adsorption erhalten wurde, ein guter Kompromiß, und zwar in dem Maße, in dem der Preis des Gases gegenüber demjenigen des reinen Stickstoffs beträchtlich verringert ist, ohne daß die Produktionsausbeute angeregter Arten merklich verringert wird.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise für die Erzeugung von Ozon aus trockener Luft oder aus reinem Sauerstoff verwendet werden. Im Falle des Sauerstoffs liefert die Vorrichtung Ozon, Singulett-Sauerstoff und atomaren Sauerstoff Die jeweilige Mengen dieser erzeugten Arten hängen von zahlreichen Parametern ab, insbesondere von der Gastemperatur (in Abhängigkeit des Gasdurchsatzes für eine gegebene Leistung) und der Frequenz des elektrischen Generators. Die Temperatur des Gases bestimmt in der Tat die Rate der nachträglichen Zerstörung des Ozons und somit die Entwicklung atomaren Sauerstoffs, und die Frequenz beeinflußt die Energie der Elektronen und somit die Anregung und die Dissoziierung des molekularen Sauerstoffs. Außer den Anwendungen zur Beseitigung von Umweltverschmutzung und zur Sterilisierung werden die so erzeugten Produkte verwendet, um die Oberflächeneigenschaften von Polymeren zu modifizieren, und zwar insbesondere ihre Adhäsions- und Benetzbarkeitseigenschaften.
- Wenn man der Vorrichtung Wasserstoff oder eine Mischung auf Wasserstoffbasis (zum Beispiel Wasserstoff/Argon) zuführt, erzeugt man angeregte oder atomare Arten mit einer äußerst starken Reduktionskralt, die zum Beispiel für das Beizen verwendet werden.
- Obwohl die vorliegende Erfindung anhand besonderer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird sie jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern kann im Gegensatz hierzu auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise modifiziert und variiert werden.
Claims (19)
1. Vorrichtung zur Bildung angeregter oder instabiler Gasmoleküle, die einen
röhrenförmigen Gasdurchtritt (5) mit einer Achse aufweist, der zwischen einer ersten
Elektrode (1) und einem Dielektrikum (3) koaxial zu der ersten Elektrode und einer zweiten
Elektrode (4) zugeordnet gebildet ist, wobei die Elektroden mit einer
Hochspannungs-Hochfrequenzquelle (13) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (1) das Dielektrikum (3) umgibt und
einen langgestreckten Gaseinlaß (7) und einen langgestreckten Gasauslaß (8) aufweist,
die parallel zu der Achse und im wesentlichen diametral gegenüberliegend sind, wobei
die zweite Elektrode (4) auf der Innenwand des Dielektrikums (3) aufgetragen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode
(4) durch Metallisierung der Innenwand des Dielektrikums (3) gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß
(7) und der Gasauslaß (8) eine Höhe haben, welche die radiale Dicke (e) des
Gasdurchtritts (5) nicht übersteigt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenwand des Dielektrikums mit einer dünnen Emailleschicht (21) überzogen
ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sie Einrichtungen zur Begrenzung des elektrischen Feldes (23; 27) im Bereich der
axialen Enden der zweiten Elektrode (4) aufweist, um die Bildung von
Mikroentladungen an den Enden des Dielektrikums (3) zu verhindern.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur
Begrenzung des Feldes Profilkontakte (23) zwischen der zweiten Elektrode (4) und
einem mittigen Leiter (22) aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtungen zur Begrenzung des Feldes Schutzringe (27) aufweisen, die auf dem
Dielektrikuin (3) in der axialen Verlängerung der zweiten Elektrode (4) gebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sie Einrichtungen (6; 25, 22, 26) zum Zirkulieren eines Kühlmittels in der aus dem
Dielektrikum (3) und der zweiten Elektrode (4) gebildeten Einheit aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
10 daß die Elektroden (1; 4) und das Dielektrikum (3) in Form einer zylindrischen
Untereinheit ausgebildet sind, die in einen langgestreckte Gaseinlaß- und Gasauslaßdurchtritte
(18, 19) aufweisenden Körper (20) einfügbar ist
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die radiale Dicke (e) des Gasdurchtritts (5) 2,5 mm nicht übersteigt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine
Homogenisiernngskammer (9) zwischen dem Gaseinlaßdurchtritt (18, 7) und einer
Gaszufuhrleitung (11) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gaseinlaß (7) mit einer Gasquelle (12) verbunden ist, welche Luft ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß (7)
mit einer Gasquelle (12) verbunden ist, die Sauerstoff ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß (7)
mit einer Gasquelle (12) verbunden ist, welche Stickstoff ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß (7)
mit einer Gasquelle (12) verbunden ist, welche Wasserstoff ist.
16. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 für die Erzeugung von
Ozon.
17. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 14 zur Versorgung eines
CO&sub2;-Gemischlasers.
18. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 14 zur Erzeugung von
Nitrierungsatmosphären für Metalle.
19. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 für die Erzeugung reduzierender
Atmosphären.
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