EP0258296A1

EP0258296A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ionen in gasströmen.

Info

Publication number: EP0258296A1
Application number: EP87901026A
Authority: EP
Inventors: Hans-Henrich Stiehl; Thomas Sebald
Original assignee: SORBIOS VERFAHRTECH GmbH
Current assignee: SORBIOS VERFAHRTECH GmbH
Priority date: 1986-02-06
Filing date: 1987-02-05
Publication date: 1988-03-09
Anticipated expiration: 2007-02-05
Also published as: RU1830198C; EP0258296B1; DE3762563D1; DE3603947A1; US4878149A; WO1987004873A1; JP2702951B2; JPS63502466A

Description

Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasströmen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Er¬ zeugung von Ionen in Gasstrδmen zum Abbau von elektrostatischen Aufladungen, welche an empfind¬ lichen Produkten, wie z.B. Mikrochips, Folien, Magnetplatten, Laserspeicherplatten und Leiter¬ platten bei unkontrollierter Entladung zu Zer¬ störungen führen bzw. erhöhte Partikeldeposition nach sich ziehen.

Bei der Fertigung von hochintegrierten Halberleiter¬ bauelementen, bei Laser- und Magnetspeicherplatten und bei anderen Produkten mit MikroStrukturen im Auflösungsbereich von einem Mikrometer und weniger führen sowohl Partikelkontaminationen als auch unkontrollierte, elektrische Enladungen zu erheblichen Qualitätsverlusten. Unter Mikrostruk- turen werden hier auch empfindliche Kunststoff¬ folien oder Oberflächen generell, bei denen die Deposition von Mikroteilchen zur Qualitätsverlusten führt, verstanden. Ursache für die Schäden sind elektrostatische Aufladungen. Derartige Ferti¬ gungen finden z.B. in Reinräumen statt, deren Luft hochgradig vorgefiltert ist und den Rein¬ raum in einer turbulenzarmen, kolbenartigen VerdrängungsStrömung durchfließt. Die Zuluft derartiger Reinräume kann so hochgradig gefiltert werden, daß nahezu keine Partikel über den Luft¬ strom in den Reinraum gelangen können. Die Partikelbelastungen bei der Fertigung entstehen im wesentlichen durch den Produktionsvorgang selbst oder durch das Bedienungspersonal. Das erfindungsgemäße Gerät kann aber auch an begrenzten Arbeitsplätzen mit einer speziell erzeugten Luftströmung betrieben werden.

Die Aufladungen werden erzeugt durch Reibung, Influenz oder kapazitive Vorgänge und sind bei der Bewegung des Produktes insbesondere an isolierenden Oberflächen unvermeidbar. Es können Ladungsdichten entstehen, die zu Spannungen von mehreren tausend Volt führen. Einerseits ziehen diese aufgeladenen Flächen mittels elektrostatischer Kräfte verstärkt Aerosole insbesondere geladene Aerosole an.

Man findet auf mit 500 V aufgeladenen Flächen etwa eine 20fache Teilchenablagerung im Vergleich zu einer neutralen Fläche. Andererseits können derartige Flächenladungen unkontrolliert über die Mikro- strukturen entladen werden. Dabei können die Mikro- strukturen entweder durch einen elektrischen Durch¬ schlag oder durch hohe Stromdichten zerstört werden. Empfindliche Metalloxidhalbleiterstrukturen auf Siliziumscheiben können bereits durch Entladungen von Spannungen um 50 V zerstört werden. Die Aufladung von isolierenden Flächen am Produkt und die verstärkte Teilchendeposition können dadurch verhindert werden, daß der Luftstrom die Ionen positiven und negativen Vorzeichens enthält. Dadurch werden sowohl an luftgetragenen Teilchen als auch an den Produktoberflächen Ladungen ausgeglichen. Unkontrollierte Ent¬ ladungen über die MikroStrukturen können nicht stattfinden. Oberflächenladungen werden durch eine kontrollierte Entladung über Luftionen abgebaut. Bei elektrostatisch sensiblen Produkten ist eine gleichförmige Verteilung von positiven und negativen Ionen besonders wichtig.

Es ist bekannt, zur Erzeugung von positiven und negativen Luftionen die Townsend-Gasentladung im inhomogenen elektrischen Feld von Nadelspitzen oder Drähten zu nutzen. Ein Gerät zur Erzeugung von Ionen an Spitzen ist in der US-PS 1 356 211 dargestellt, während in der DE-OS 28 09 054 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen an Drähten beschrieben ist. In der Nähe der Spitzen bzw. der Drahtoberfläche bildet sich eine Entladungszone mit einer Ausdehnung von etwa 0,5 mm aus, in der die Gasmoleküle ionisiert werden. Mit zunehmender Entfernung von der Ent¬ ladungszone verlangsamt sich aufgrund des schwächer werdenden Feldes die Geschwindigkeit. Eine Be¬ dingung dafür, daß die Ionen von der Luftströmung fortgetragen werden können, ist, daß ihre Ge¬ schwindigkeit im inhomogenen Feld auf einen Wert absinkt, der kleiner als die Luftgeschwindigkeit ist. Zur Zündung einer Gasentladung an stark gekrümmten Flächen ist eine Spannung von 6 - 7 kV notwendig. Beim Betrieb solcher Ionisatoren mit einer Spannung von ca. 10 kV nimmt die Geschwindigkeit der Ionen innerhalb eines halben bis einen Meters auf Wert von unter einem Meter pro Sekunde ab. Die übliche Luftströmungsgeschwindigkeit an reinen Arbeitsplätzen liegt bei etwa 0,5 m pro Sekunde. Aus dem Vorangesagten wird klar, daß für die Verteilung der Ionen im Luftstrom ein enger Zusammenhang zwischen der Luftgeschwindig¬ keit einerseits und dem mit der Ladungselektroden- geometrie gekoppelten zeitlichen Lauf der Hoch¬ spannung andererseits besteht.

Herkömmliche Ionisatoren arbeiten mit Spannungen zwischen 10 und 20 kV. Der zeitliche Verlauf der Spannung ist entweder gleichförmig (Fig. lc) eine Sinusspannung (Fig. la) von 50 bis 60 Hz oder ein rechteckfδr iger Spannungsverlauf.

Es ist bekannt, daß bei gleicher Feldgeometrie der Entladung und gleicher Spannung am negativen Emitter mehr Ionen erzeugt werden als am positiven. Da Ionisatoren ihre Aufgabe zur Neutralisation von Oberflächenentladungen nur erfüllen können, wenn in den Luftstrom die gleiche Anzahl von positiven wie negativen Ionen eindosiert werden, ist die sinusförmige Wechselspannung zur Versorgung von Emittern nachteilig, wogegen bei rechteckigem Spannungsverlauf und Gleichspannungsversorgung durch Einstellung des entsprechenden Gleichspannungs¬ niveaus Ionen mit ausgeglichener Polaritätsbalance erzeugt werden können.

Der rechteckige Spannungsverlauf sowie die sinus¬ förmige Wechselspannung haben den Nachteil, daß die Umschaltung der Spitzenpolarität in Zeiträumen abläuft, die kurz sind gegenüber der Strömungs¬ geschwindigkeit der Luft. In diesem Fall werden bereits in die Luft eindosierte Ionen durch schnelle Änderung der Polarität zur Spitze zurücktransportiert und sind für die Ionisierung der Luft unwirksam. Darüber hinaus verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Ionendosierung. Unter Wirkungsgrad sei hier das Verhältnis der Ionen¬ anzahl, die in den Luftstrom eintritt, zu der Gesamtanzahl der an der Spitze erzeugten Ionen verstanden.

Diese Nachteile erhöhen die Strombelastung der Spitzenelektroden. Bei hoher Strombelastung der Spitzenelektrolen kommt es zu verstärktem Material¬ abtrag und damit zu einer Erhöhung des Radius an den Spitzen und zu einer vermehrten Anlagerung von Partikeln an der Spitze. Dadurch vermindert sich mit dem Abnehmen des inhomogenen Feldes die Ionenerzeugung. Somit sind zeitlich konstante Betriebsbedingungen in Frage gestellt. In der Praxis werden diese Nachteile durch Erhöhung der Betriebsspannung korrigiert, was eine Beschleunigung der beschriebenen Nachteile nach sich zieht.

Die erhöhte Strombelastung durch Rücktransport ver¬ meidet man bei bekannten Systemen auch dadurch nicht, daß man je zwei Spitzengruppen getrennt mit Gleichspannung versorgt. In diesem Fall beträgt die Potentialdifferenz zwischen den Spitzen etwa 20 kV, entsprechend groß ist der Abstand der Spitzen mit etwa 30 cm zu wählen. In diesem Fall bleibt die mittlere Ionengeschwindigkeit so groß, daß nur ein geringer Ionenanteil aus den Randzonen des elektrischen Feldes vom Luftstrom aufgenommen wird. Aus diesem Grunde sind die gleichen Nachteile zu erwarten, wie bei wechselspannungsbetriebenen Ionisatoren. Die Ausbildung von flächenhaften Ionisatoren, wie sie beispielsweise großflächig unter der Decke von Reinräumen angebracht werden können, führt zu einer örtlich diskontinuier¬ lichen Ionenerzeugung. Im Grenzgebiet derartig versorgter Ionisatoren kommt es zu Überschüssen einer Ionenpolarität, die im Gegensatz zur eigentlichen Aufgabe der Ionisatoren zu zusätz¬ lichen Aufladungen führen können. Noch nachteiliger erweist sich die Erfahrung, daß die zwischen solchen in der Querschnittsebene der Luftströmung angebrachten, mit Gleichspannung versorgten Elektroden enstehenden konstanten zur Elektroden¬ ebene parallelen Feldstärken auf der Abstro seite zur Entmischung von negativen und positiven Ionen führt: Bei dieser Entmischung können durch den Überschuß von Ionen einer Polarität Aufladun¬ gen von mehreren 100 V entstehen.

Durch Betriebserfahrungen mit Ionisatoren in Rein¬ räumen, beispielsweise der Klasse 10 nach US Federal Standard 209c mit besonders hohen Anforderungen, hat man bei den drei in Fig. 1 be¬ schriebenen Betriebsarten der Ionisatoren im Betrieb Nachteile festgestellt. Diese Nachteile beziehen sich u.a. auf das Abtragen der Spitzen, auf das Eintragen von metallischem Spitzenmaterial in die Reinraumluft u d auf die Ablagerung von Ver¬ unreinigungen an den Spitzen, sowie elektro¬ chemische Umwandlungsprozesse gasförmiger Produkte in Festkörperpartikel. Nach neuesten Untersuchungen von B.Y. Liu et al, Tex. Instr. Cor.: Characteri- zation of Electronic lonizers for Clean Rooms; IES 1985, findet man in der Reinraumluft bis zu zusätzlich 1,5 x 10 Teilchen pro m . Dagegen strebt man in hochwertigen Reinräumen Teilchenkonzentratio.nen um 300 Partikel pro m und weniger an. Der- Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gas¬ strömen mit einer den Gasströmen ausgesetzten Elektrodenanordnung und einer pulsförmigen Hochspannungsversorgung, die eine wechselnde Folge negativer und positiver Impulse mit steilen Flanken liefert, zu schaffen, die auch über einen längeren Zeitraum konstante Betriebs¬ bedingungen mit gleichförmiger Ionenverteilung über den Strömungsquerschnitt bei gutem Wirkungs¬ grad gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß spitzenförmige Entladungselektroden und zugehörige Gegenelektroden in fester und definierter Zuordnung zueinander vorgesehen sind, wird ein definiertes elektrisches Feld zur Verfügung gestellt und der zeitliche Verlauf der an die spitzenförmigen Entladungselektroden angelegten Hochspannung ist mit der Gasgeschwindig¬ keit und der Ionenflugzeit zwischen Entladungs¬ elektroden und Gegenelektroden korrelierbar, so daß der Wirkungsgrad erhöht wird. Durch die geometrische Anordnung von spitzenförmigen Ent¬ ladungselektroden und Gegenelektroden wird über den Strömungsquerschnitt eine gleichförmige Ionenverteilung hergestellt und es wird der störende Einfluß anderer, im Raum befindlicher Potentiale auf die Ionenerzeugung und Verteilung verhindert. Der Wechsel von positiver und negativer Hochspannung an der selben spitzenförmigen Ent¬ ladungselektrode vermeidet konstante Gleichfelder senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases, die zu einer Entmischung der positiven und negativen Ionen führen.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Dadurch, daß als Material für die spitzenförmigen Entladungselektroden mit Niob ein erosionsarmes Elektrodenmaterial gewählt ist, wird das Abtrag¬ verhalten verbessert und die Neigung zum Sputtern verminder .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sowohl in hochwertigen Reinräumen als auch außerhalb von Reinräumen zu benutzen. In der nicht hochwertig gefilterten Luft außerhalb von Reinräumen können Verschmutzungen der spitzenförmigen Entladungs¬ elektroden durch Anlagerung von teilchenfδrmigen Luftverunreinigungen auftreten, die zur Beein¬ trächtigung der Ionenerzeugung führen. Daher können zu Reinigungszwecken die Elektrodenträger aus ihren federverriegeltem Stecksitz mit Drehsicherung mit einem Griff entfernt und wieder eingesetzt werden.

Durch Vorsehen von Hochspannungsrelais können die positiven und negativen Hochspannungserzeuger gal¬ vanisch getrennt werden und die Versorgung der spitzenförmigen Entladungselektroden mit positiver und negativer Hochspannung kann über ein einziges, einadriges abgeschirmtes Hochspannungskabel erfolgen. Durch das lastfreie Schalten der Hochspannungs¬ relais werden ihre Lebenszeiten erheblich erhöht.

Durch Vorsehen einer Hochspannungsversorgung, die eine getrennte Niederspannungsstelleinheit und ein Hochspannungsmodul aufweist, kann das Hochspannungsmodul in der Nähe der Elektroden¬ anordnung außerhalb der Gasströmung angeordnet werden, wodurch keine unerwünschten Turbulenzen in der Gasstrδ ung entstehen. Die Niederspannungs¬ stelleinheit, die zur Regelung der positiven und negativen Ionenmengen das Hochspannungsmodul ansteuert, kann sich in unmittelbarer N he des Arbeitsplatzes befinden. Während die Verbindung zwischen Elektrodenanordnung und Hochspannungs¬ modul über ein abgeschirmtes Kochspannu gskabel erfolgt, wird das Hochspannungsmodul von der Niederspannungsstelleinheit mit Gleichstrom angesteuert, so daß auch große Kabellängen ohne die Gefahr der Störung empfindlicher elektronischer Steuer- und Meßgeräte im Fertigungsbereich durch abgestrahlte elektromagnetische Strahlung verwendet werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine zusätzliche Teilchenerzeugung wesentlich verringert wird. Durch Messungen wurde festge¬ stellt, daß bei einer Auflösung von ca. 100 Teilchen pro m keine zusätzliche Teilchenerzeugung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verzeichnet werden konnte.

Es ist bekannt, daß Ionisatoren nach dem Stand der Technik durch die Gasentladung Ozon in einer ^" Konzentration erzeugen, die für das beschäftigte Personal gesundheitsschädlich sein kann. Die während des Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Messungen führten zu keiner Erhöhung der in der natürlichen Umgebungs¬ luft existierenden Ozonkonzentration, da die Strom¬ stärke in den Entladungen an den Spitzenelektroden mit Hilfe der Spannungsversorgung extrem niedrig ist. Ein wesentliches Kriterium für die Betriebs¬ sicherheit, aber auch für die Belastung der Spitzen der Enladungselektroden, ist die Größe der Hochspannung. Sie kann bei bekannten Ionisa¬ toren Werte von 30 kV annehmen. Wegen des hohen Wirkungsgrades der Ioneadcsierung und wegen der homogenen Verteilung der diskreten Ionen¬ quellen im Strömungsquerschnitt kann bei der vorliegenden Erfindung die maximale Betriebs¬ spannung auf Werte unter 15 kV begrenzt werden. Trotz der geringen Betriebsspannung werden Entladezeiten erzielt, die den hohen Anforderungen zum Beispiel in der Chipfertigung genügen.

Bei-bekannten Ionisatoren werden zum Erreichen kurzer Entladezeiten die Spitzenelektroden in den Bereich der Verarbeitung sensibler Produkte gerichtet. In diesem Fall können Spannungen oberhalb der Empfindlichkeitsschwelle der Pro¬ dukte influenziert werden. Diese Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch horizontale Ausrichtung der wechselnden Felder in der Querschnittsebene der Luftströmung parallel zur Arbeitsebene sowie durch die dichte, definierte Anordnung der Gegenelektrode weit¬ gehend vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt das Arbeiten in unmittelbarer Nähe des Ionisators, wenn zwischen Arbeitsebene und Ionisator ein metallenes Lochblech auf Erd¬ potential angebracht ist, ohne die Wirksamkeit des Ionisators zu vermindertn.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: 11

Fig. 1 unterschiedliche zeitliche Verläufe von Hochspannungen zur Versorgung der Entladungs- elektroden,

Fig. 2 der zeitliche Verlauf der Hoch¬ spannung zur Versorgung der Entladungselektroden gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 die schematische Darstellung der verschiedenen Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5a eine perspektivische schematische

Darstellung der Elektrodenanordnung eines weiteren Ausführungsbei- • spiels,

Fig. 5b und 5c schematische Schnittdarstellungen von weiteren Elektrodenanordnungen,

Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen

Elektrodenträger gemäß Fig. 5a,

Fig. 7a die schaltungsgemäße Ausgestaltung des Hochspannungsmoduls, und

Fig. 7b ein Impulsdiagramm für das Hoch¬ spannungsmodul nach Fig. 7a. In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die eine Niederspannungsstell¬ einheit 30, ein Hochspannungsmodul 31 und die Elektrodenanordnung 32 aufweist. Die Elektrodenanordnung wird im Bereich der Luft¬ strömung beispielsweise bei Reinräumen im Deckenbereich unterhalb der Luftaustritte bzw. der Luftfilter angeordnet. Die Fig. 5a zeigt schematisch eine gitterförmige Elektrodei- anordnung, die für die Montage unter einer Reinraumfilterdecke geeignet ist. Die Elektroden¬ anordnung 31 weist Quertraversen 1, 8 aus metallenen Halbrundprofilen auf, die mit rohr- förmigen metallenen auf Masse liegenden Gegen¬ elektroden 4 einen festen Rahmen bilden. An den Quertraversen 1, 8 sind über Steckverbindungen 3, Elektrodenträger 5 befestigt, die nadel- oder spitzenförmige Entladungselektroden 6 tragen. Die Gegenelektroden 4 und die Elektrodenträger 5 sind parallel zueinander in einer Ebene ange¬ ordnet, wobei die spitzenförmigen Entladungs¬ elektroden ebenfalls in einer Ebene vorzugsweise senkrecht zu den Gegenelektroden 4 weisend liegen. In der Fig. 5a sind pro Elektrodenträger 5 nur drei spitzenförmige Entladungselektroden 6 vorge¬ sehen. Selbstverständlich können auch mehr Entladungselektroden vorgesehen sein. Die Gegen¬ elektroden 4 bzw. Elektrodenträger 5 haben einen Durchmesser von etwa 3 bis 15 mm und der Abstand liegt zwischen 5 und 50 cm. Die spitzenförmigen Entladungselektroden 6 sind in gleichmäßigen Abständen untereinander von etwa 5 bis 30 cm angeordnet. Die Hochspannung wird über Schutzwiderstände in der Quertraverse 1 und die Steckverbinder 3 den Entladungselektroden 6 zugeführt, wobei die Elektrodenträger 5 elektrisch parallel geschaltet sind. In oder an der Quertraverse 1 ist ebenfalls ein nicht dargestellter Klemm¬ anschluß für die elektrische Verbindung der geerdeten Abschirmung des einadrigen Hoch¬ spannungskabels 9 vorgesehen.

In Fig. 6 ist der Schnitt durch einen Elektroden¬ träger und insbesondere der Steckverbinder 3, 7 dargestellt. Der Steckverbinder 3 weist ein Acrylrohr 33 mit einem Ansatz auf, in dessen Innerem die Hochspannungsleitung 10 geführt ist. Der Ansatz ist in den Elektrodenträger 5 eingesteckt, wobei eine mit der Hochspannungs¬ leitung verbundene Buchse 11 und ein im Elektrodenträger 5 vorgesehener Stift 12 die elektrische Verbindung bildet. Das Acrylrohr 33 sorgt für eine Kriechstrecke zwischen dem auf Hochspannung liegenden Elektrodenträger und der auf Massepotential liegenden Quertraverse 1. Der Steckverbinder 7 weist ebenfalls einen isolierenden Acrylstab 34 auf, dessen Ende in den Elektrodenträger gesteckt ist und mittels eines Paßstiftes 14 festgelegt ist. Eine Druckfeder 13 stützt sich am Ende des Acrylstabes 34 ab. Der Paßstift 14 bildet eine Verdrehsicherung, so daß die spitzenförmigen Entladungselektroden ihre Lage in bezug auf die Gegenelektroden 4 nicht verändern können. Die Steckverbinder 3 und 7 bilden zusammen einen federverriegelten Stecksitz, so daß die Elektrodenträger ohne größere Schwierig¬ keiten entfernt und gereinigt werden können. Die spitzenförmigen Entladungselektroden werden mit einer Hochspannung gemäß Fig. 2 abwechselnd mit positiven und negativen Impulsen mit steilen Flanken angesteuert. Beispielsweise wird zunächst die Hochspannung über einen Zeitraum t, angelegt, der so gewählt ist, daß der Raum zwischen den Elektroden 4, 6 mit positiven Ionen angefüllt ist. In dieser Zeit werden wegen der hohen Ionengeschwindigkeit aufgrund der hohen Feldstärken kaum Ionen in den senkrecht zu der gitterfδrmigen Elektrodenanordnung nach. Fig. 5a strömenden Luftstrom eindosiert. Wird jetzt nach einer Zeit, die der Ionenflugzeit entspricht, die Hochspannung steilflankig abge¬ schaltet, setzt die Kraftwirkung des elektrischen Feldes aus und die Ionen können so durch die Reibungskraft des Luftstromes aus dem Raum der größten Feldstärke zwischen den Elektroden 4, 5, 6 herausgetragen werden. Dies geschieht in dem Zeitraum t₂. Danach wird diegegenpolige, negative Hochspannung an die gleichen spitzen¬ förmigen Elektroden 6 angelegt. Auch die negative Hochspannung bleibt nur so lange angeschaltet, bis eine negative lonenwolke den Raum zwischen den Elektroden 4, 5, 6 erfüllt ( , um dann steilflankig abgeschaltet zu werden. Der Abstand a gemäß Fig. 5a zwischen den Elektroden rägem 5 mit den Entladungselektroden 6 und den Gegenelektroden 4 bestimmt über die Ionen¬ beweglichkeit die Anschaltzeit t, und t- der Hochspannung. Die Anschaltzeiten liegen beispiels¬ weise zwischen einigen und einigen 10 ms ins¬ besondere zwischen 5 bis 60 ms. Bei Luftströmungen zwischen 0,1 und 1 m pro Sekunde liegen die Ausschaltzeiten, d.h. der Abstand der Impulse, zwischen 100 und 1000 ms. Daraus ergeben sich Tastverhältnisse von 1:5 bis 1:20. Durch dieses Zusammenspiel der festen Elektrodenanordnung und Ein- und Ausschalten der Hochspannung wird der überwiegende Teil der an den Spitzen der Entladungselektroden erzeugten Ionen in die Luftströmung eingetragen. Dadurch sinkt die Strombelastung an den Spitzen um Größen¬ ordnungen, für die nachteilige Partikeler¬ zeugung im Luftstrom verantwortlich ist.

Für die Entladungselektroden wird ein erosions¬ armes E.iektrodenmaterial verwendet, wobei bisher im Stand der Technik Edelstahl und Wolfram zum Einsatz kamen. Dabei zeigte Wolfram ein geringes Abtragverhalten. Untersuchungen weiterer Materialien zeigten, daß mit Niob und seinen Legierungen als Elektrodenmaterial wesentlich bessere Ergebnisse zu erzielen sind, so daß dieses Material bei den Entladungselektroden 6 verwendet wird. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse eines über 1000 Stunden durchgeführten Versuches mit 20facher, nichtgetasteter Strom¬ belastung der spitzenförmigen Entladungselektroden. Aus Spalte 2 ergibt sich ein um Faktor 6 gegen¬ über Wolfram geringes abgetragenes Volumen. Auch Tantal zeigte bessere Ergebnisse als Wolfram.

Das Hochspannungsmodul 31, das vorzugsweise in der Nähe der Elektrodenanordnung zur Ver¬ ringerung der Länge des Hochspannungskabels 9 aber außerhalb des Luftstromes angeordnet ist, ist näher in der Fig. 7a dargestellt. Zwei Hoch¬ frequenzoszillatoren 18 steuern über nichtdar- gestellte Treiber mit Niederspannung die Primär¬ wicklung zweier Hochspannungstransformatoren 19 an. wobei je nach Durchlassin der jeweils mitver¬ gossenen Hochspannungsdioden der eine Transfor¬ mator positive Hochspannung und der andere negative Hochspannung erzeugt. Zwei Hochspannungs- relais 20 schalten die jeweilige Hochspannung auf das abgeschirmte Hochspannungskabel 9, das die Entladungselektroden 6 versorgt. Damit die Hochspannungsrelais 20 lastfrei schalten, werden die Oszillatoren 18 und die Relais 20 entsprechend dem Impulsdiagramm nach Fig. 7b angesteuert. Daraus ist zu erkennen, daß die Hochspannungsrelais 20 ein- bzw. ausgeschaltet werden, wenn die aufeinander impulsförmig angesteuerten Oszillatoren 18 nicht eingeschaltet sind.

Die Niederspannungsstelleinheit 30 kann sich in unmittelbarer Nähe des Arbeitsplatzes be¬ finden oder in einem zentralen Schaltschrank untergebracht sein. Sie gibt zwei Gleichströme mit voneinander unabhängig einstellbaren Gleich¬ spannungswerten an das Hochspannungsmodul ab, wodurch die positiven und negativen Hochspannungs¬ werte unabhängig voneinander bestimmt werden können. Zur Regelung der von der Niederspannungs¬ stelleinheit 30 erzeugten Gleichspannungswerte und somit zur Regelung der Balance der Ionen¬ polarität werden in einem nichtdargestellten Regelkreis die zur Erzeugung der positiven und negativen Ionen aufgewendeten Ströme in dem Hochspannungsmodul 31 getrennt gemessen und als Regelgröße der Niederspannungsstelleinheit 30 zugeführt. In der Elektrodenanordnung nach Fig. 5a sind spezielle Gegenelektroden 4 vorgesehen. In den Fig. 5b und 5c werden die Gegenelektroden von die Entladungselektroden 6 umgebenden Anlaσen-bauteilen gebildet. Beispielsweise ist nach Fig. 5b ein Rahmensystem 16, das elektrisch mit Masse verbunden ist, als Gegen¬ elektrode ausgebildet. In Fig. 5c ist als Gegenelektrode ein Lochblech 17 vorgesehen, das auf Masse liegt und das als Sichtblende oder dergleichen dienen kann.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden nicht in eine im Raum vorhandene Gas¬ bzw. Luftströmung Ionen eindosiert, sondern es ist eine geschlossene Vorrichtung vorgesehen, die eine Einrichtung zur Erzeugung einer gleichgerichteten Strömung über einen großen Querschnitt aufweist. Diese Einrichtung weist ein Gebläse 22 auf, das einen Druckraum 21 versorgt, der auf der Abströmseite durch eine als Leitblech ausgebildete gleichförmig luftdurchlässige Schicht 23 begrenzt ist. Das Leitblech bildet die Gegenelektrode zu den spitzenförmigen Entladungselektroden 6, die unterhalb des Leitblechs 23 angeordnet sind und gemäß Fig. 5a auf Elektrodenträgern 5 befestigt sind. Die gleichgerichtete Strömung wird durch eine umlaufende Strömungsschürze 24 im umgebenden Raum stabilisiert.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gas- strδmen mit einer den Gasstrδmen ausgesetzten Elektrodenanordnung und einer pulsförmigen Hochspannungsversorgung, die eine wechselnde Folge negativer und positiver Impulse mit steilen Flanken liefert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektrodenanordnung (31) mindestens eine spitzenförmige Entladungselektrode (6) und mindestens eine Gegenelektrode (4,16,17,23) in fester und definierter Zuordnung zueinander aufweist und daß die Dauer des jeweiligen Impulses der Flugzeit der Ionen zwischen den Elektroden entspricht und der Abstand der Impulse an die Geschwindigkeit des Gas¬ stroms angepaßt ist.

2.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Impulsdauer etwa 5 bis 60 ms und der Abstand der Impulse bei einer Ge¬ schwindigkeit des Gasstroms von etwa 0,1 bis 1 m/s etwa 100 ms bis 1000 ms beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (31) stabförmige parallel und abwechselnd zueinander angeordnete Gegenelektroden (4) und spitzenförmige Entladungselektroden (6) tragende Elektrodenträger (5) aufweist, wobei die Entladungselektroden (6) ineiner Ebene vorzugsweise senkrecht zu den Gegenelektroden (4) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Gegenelektroden (4) und die Elektrodenträger (5) vorzugsweise rund sind und einen Durchmesser von ungefähr

3 bis 15 mm und einen Abstand voneinander zwischen 5 und 50 cm aufweisen und daß die spitzenförmigen Entladungselektroden in gleichem Abstand zueinander von etwa 5 bis 30 cm angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die spitzenförmigen Entladungsβlektroden (6) tragenden Elektroden¬ träger (5) lösbar in einem Stecksitz (3,7) befestigt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Elektrodenträger (5) im Stecksitz (3,7) verriegelbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Gegen¬ elektrode (16,17,23) Bestandteil anderer Anlagenteile, wie Rahmenkonstruktionen oder Sichtblenden aus Lochblechen ist, die in de¬ finiertem Abstand von der spitzenförmigen Entladungselektrode (6) und auf definiertem Potential liegen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochs annungs- versorgung aus einer Niederspannungsstellein¬ heit (30),die zwei Gleichströme mit einstell¬ baren Gleichspannungswerten liefert, und einem räumlich von der Niederspannungsstell¬ einheit (30) getrennten und mit dieser verbundenen Hochspannungsmodul (31) besteht, wobei das Hochspannungsmodul (31) in der Nähe der Elektrodenanordnung (32) anordenbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Hochspannungsmodul (31) über eine einadrige Hochspannungsleitung (9) mit der Elektrodenanordnung (32) verbunden ist.

10.Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, daß das Hochspannungsmodul

(31) zur Erzeugung der positiven und negativen Hochspannung jeweils einen Spannungsumformer mit einem Oszillator (18) , einem Transformator

(19) und einem Gleichrichter (25) und jeweils ein Hochspannungsrelais (20) aufweist.

11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die jeweiligen Hochspannungs- relais im gleichen Takt zu der Ansteuerung der zugehörigen Oszillatoren (18) lastfrei in den Impulspausen der Ansteuerung geschaltet werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zur Regelung der Balance der lonenpolarität die zur Erzeugung der positiven

* und negativen Ionen benötigten Ströme ge¬ messen werden und als Regelgröße zur Einstellung der Gleichspannungswerte dienen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die spitzen¬ förmigen Entladungselektroden (6) aus Niob oder dessen Legierungen bestehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Gasstrδmung über einen Druckraum (21) geführt ist, der von einem Leit- oder Lochblech (23) oder dergleichen abgeschlossen ist und daß die Entladungs¬ elektroden (6) auf der Abströmseite des Lochblechs (23) angeordnet sind, wobei das Lochblech 23) die definierte Gegenelektrode bildet.