EP0258296B1

EP0258296B1 - Vorrichtung zur erzeugung von ionen in gasströmen

Info

Publication number: EP0258296B1
Application number: EP87901026A
Authority: EP
Inventors: Hans-Henrich Stiehl; Thomas Sebald
Original assignee: Sorbios GmbH
Current assignee: Sorbios GmbH
Priority date: 1986-02-06
Filing date: 1987-02-05
Publication date: 1990-05-02
Anticipated expiration: 2007-02-05
Also published as: DE3762563D1; RU1830198C; JPS63502466A; US4878149A; JP2702951B2; EP0258296A1; WO1987004873A1; DE3603947A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasströmen zum Abbau von elektrostatischen Aufladungen, welche an empfindlichen Produkten, wie z.B. Mikrochips, Folien, Magnetplatten, Laserspeicherplatten und Leiterplatten bei unkontrollierter Entladung zu Zerstörungen führen bzw. erhöhte Partikeldeposition nach sich ziehen.
Bei der Fertigung von hochintegrierten Halberleiterbauelementen, 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 Mikrostrukturen werden hier auch empfindliche Kunststofffolien oder Oberflächen generell, bei denen die Deposition von Mikroteilchen zur Qualitätsverlusten führt, verstanden. Ursache für die Schäden sind elektrostatische Aufladungen. Derartige Fertigungen finden z.B. in Reinräumen statt, deren Luft hochgradig vorgefiltert ist und den Reinraum in einer turbulenzarmen, kolbenartigen Verdrängungsströmung durchfließt. Die Zuluft derartiger Reinräume kann so hochgradig gefiltert werden, daß nahezu keine Partikel über den Luftstrom 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 Mikrostrukturen entladen werden. Dabei können die Mikrostrukturen entweder durch einen elektrischen Durchschlag 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 Entladungen 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 lonenbesonders 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 Entladungszone verlangsamt sich aufgrund des schwächer werdenden Feldes die Geschwindigkeit. Eine Bedingung dafür, daß die Ionen von der Luftströmung fortgetragen werden können, ist, daß ihre Geschwindigkeit 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 lonisatoren 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 Luftgeschwindigkeit einerseits und dem mit der Ladungselektrodengeometrie gekoppelten zeitlichen Lauf der Hochspannung andererseits besteht.
Herkömmliche lonisatoren arbeiten mit Spannungen zwischen 10 und 20 kV. Der zeitlich Verlauf der Spannung ist entweder gleichförmig (Fig. 1c) eine Sinusspannung (Fig. 1a) von 50 bis 60 Hz oder ein rechteckförmiger Spannungsverlauf.
Es ist bekannt, daß bei gleicher Feldgeometrie der Entladung und gleicher Spannung am negativen Emitter mehr Ionen erzeugt werden als am positiven. Da lonisatoren 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 Gleichspannungsniveaus Ionen mit ausgeglichener Polaritätsbalance erzeugt werden.
In der FR-A-2 135 162 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung vo Ionen beschrieben, bei der parallel über- und untereinander langgestreckte Elektroden angeordnet sind und jeweils eine Entladungselektrode zwischen zwei Gegenelektroden liegt. Die Entladungselektroden werden mit einer impulsförmigen Spannung gespeist, die eine rechteckähnliche Form aufweist. Diese derart geformte Spannungsversorgung hat ebenso wie der rechteckige Spannungsverlauf und die sinusförmige Wechselspannung den Nachteil, daß die Umschaltung der Polarität in Zeiträumen abläuft, die bei Betrachtung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft kurz sind. In diesem Fall werden bereits in die Luft eindosierte Ionen durch schnelle Änderung der Polarität zur Entladungselektrode zurücktransportiert und sind für die Ionisierung der Luft unwirksam. Darüber hinaus verschlechtert sich der Wirkungsgrad der lonendosierung. Unter Wirkungsgrad sei hier das Verhältnis der lonenanzahl, die in den Luftstrom eintritt, zu der Gesamtanzahl der an der Entladungselektrode erzeugten Ionen verstanden.
Diese Nachteil erhöhen die Strombelastung an Spitzenelektroden. Bei hoher Strombelastung der Spitzenelektroden kommt es zu verstärktem Materialabtrag 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 lonenerzeugung. 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 vermeidet 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 lonengeschwindigkeit so groß, daß nur ein geringer lonenanteil aus den Randzonen des elektridschen Feldes vom Luftstrom aufgenommen wird. Aus diesem Grunde sind die gleichen Nachteile zu erwarten, wie bei wechselspannungsbetriebenen lonisatoren. Die Ausbildung von flächenhaften lonisatoren, wie sie beispielsweise großflächig unter der Decke von Reinräumen angebracht werden können, führt zu einer örtlich diskontinuierlichen lonenerzeugung. Im Grenzgebiet derartig versorgter lonisatoren kommt es zu Überschüssen einer lonenpolarität, die im Gegensatz zur eigentlichen Aufgabe der lonisatoren zu zusätzlichen Aufladungen führen können. Noch nachteiliger erweist sich die Erfahrung, daß die zwischen solchen in der Querschnittsebene der Luftströmung angebrachten, mit Gleichspannung versorgten Elektroden entstehenden konstanten zur Elektrodenebene parallelen Feldstärken auf der Abstromseite zur Entmischung von negativen und positiven Ionen führt: Bei dieser Entmischung können durch den Überschuß von Ionen einer Polarität Aufladungen von mehreren 100 V entstehen.
Durch Betriebserfahrungen mit lonisatoren in Reinräumen, beispielsweise der Klasse 10 nach US Federal Standard 209c mit besonders hohen Anforderungen, hat man bei den drei in Fig. 1 beschriebenen Betriebsarten der lonisatoren im Betrieb Nachteile festgestellt. Diese Nachteile beziehen sich u.a. auf das Abtragen der Spitzen, auf das Eintragen von metallischem Spitzenmaterial in die Reinraumluft und auf die Ablagerung von Verunreinigungen an den Spitzen, sowie elektrochemiche Umwandlungsprozesse gasförmiger Produkte in Festkörperpartikel. Nach neuesten Untersuchungen von B.Y. Liu et al, Tex. lnstr. Cor.: Characterization of Electronic lonizers for Clean Rooms; IES 1985, findet man in der Reinraumluft bis zu zusätzlich 1,5 x 10⁶ Teilchen pro m³. Dagegen strebt man in hochwertigen Reinräumen Teilchenkonzentrationen um 300 Partikel pro m³ und weniger an.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasströmen 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 Betriebsbedingungen mit gleichförmiger lonenverteilung über den Strömungsquerschnitt bei gutem Wirkungsgrad 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 Gasgeschwindigkeit und der lonenflugzeit zwischen Entladungselektroden und Gegenelektroden korrelierbar, so daß der Wirkungsgrad erhöht wird. Die Dauer der Impulse entspricht der Flugzeit der lonen, so daß der gesamte Raum zwischen den Elektroden mit Ionen ausgefüllt ist, bevor die Abschaltung erfolgt. Die Impulspausen zwischen den Impulsen sind derart an die Geschwindigkeit des Gases angepaßt, daß die während der Impulse erzeugten Ionen durch den Gasstrom weitgehend aus dem der Kraftwirkung des elektrischen Feldes bei eingeschalteter Hochspannung ausgesetzten Raum herausgetragen werden. Durch die geometrische Anordnung von spitzenförmigen Entladungselektroden und Gegenelektroden wird über den Strömungsquerschnitt eine gleichförmige lonenvertilung 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 derselben spitzenförmigen Entladungselektrode 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 Abtragverhalten verbessert und die Neigung zum Sputtern vermindert.
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 Entladungselektroden durch Anlagerung von teilchenförmigen Luftverunreinigungen auftreten, die zur Beeinträchtigung 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 galvanisch 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 Hochspannungsrelais werden ihre Lebenszeiten erheblich erhöht.
Durch Vorsehen einer Hochspannungsversorgung, die eine getrennte Niederspannungsstelleinheit und ein Hochspannungsmodul aufweist, kann das Hochspannungsmodul in der Nähe der Elektrodenanordnung außerhalb der Gasströmung angeordnet werden, wodurch keine unerwünschten Turbulenzen in der Gasströmung entstehen. Die Niederspannungsstelleinheit, die zur Regelung der positiven und negativen lonenmengen das Hochspannungsmodul ansteuert, kann sich in unmittelbarer Nähe des Arbeitsplatzes befinden. Während die Verbindung zwischen Elektrodenanordnung und Hochspannungsmodul über ein abgeschirmtes Hochspannungskabel 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 festgestellt, daß bei einer Auflösung von ca. 100 Teilchen pro m³ keine zusätzliche Teilchenerzeugung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verzeichnet werden konnte.
Es ist bekannt, daß lonisatoren 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 Umgebungsluft existierenden Ozonkonzentration, da die Stromstärke in den Entladungen an den Spitzenelektroden mit Hilfe der Spannungsversorgung extrem niedrig ist. Ein wesentliches Kriterium für die Betriebssicherheit, aber auch für die Belastung der Spitzen der Enladungselektroden, ist die Größe der Hochspannung. Sie kann bei bekannten lonisatoren Werte von 30 kV annehmen. Wegen des hohen Wirkungsgrades der lonendosierung und wegen der homogenen Verteilung der diskreten lonenquellen im Strömungsquerschnitt kann bei der vorliegenden Erfindung die maximale Betriebsspannung 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 lonisatoren werden zum Erreichen kurzer Entladezeiten die Spitzenelektroden in den Bereich der Verarbeitung sensibler Produkte gerichtet. In diesem Fall können Spannungen oberhalb der Empfindlichkeitsschwelle der Produkte 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 weitgehend vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt das Arbeiten in unmittelbarer Nähe des lonisators, wenn zwischen Arbeitsebene und lonisator ein metallenes Lochblech auf Erdpotential angebracht ist, ohne die Wirksamkeit des lonisators zu vermindern.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 unterschiedliche zeitliche Verläufe von Hochspannungen zur Versorgung der Entladungselektroden,
Fig. 2 der zeitliche Verlauf der Hochspannung zur Versorgung der Entladungselektroden gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 die schematische Darstellung der verschiedenen Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 5a eine perspektivische schematische Darstellung der Elektrodenanordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels,
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 Hochspannungsmodul nach Fig. 7a.

In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die eine Niederspannungsstelleinheit 30, ein Hochspannungsmodul 31 und die Elektrodenanordnung 32 aufweist. Die Elektrodenanordnung wird im Bereich der Luftströmung beispielsweise bei Reinräumen im Deckenbereich unterhalb der Luftaustritte bzw. der Luftfilter angeordnet. Die Fig. 5a zeigt schematisch eine gitterförmige Elektrodenanordnung, die für die Montage unter einer Reinraumfilterdecke geeignet ist. Die Elektrodenanordnung 31 weist Quertraversen 1, 8 aus metallenen Halbrundprofilen auf, die mit rohrförmigen metallenen auf Masse liegenden Gegenelektroden 4 einen festen Rahmen bilden. An den Quertraversen 1, 8 sind über Steckverbindungen 3, 7 Elektrodenträger 5 befestigt, die nadel- oder spitzenförmige Entladungselektroden 6 tragen. Die Gegenelektroden 4 und die Elektrodenträger 5 sind parallel zueinander in einer Ebene angeordnet, wobei die spitzenförmigen Entladungselektroden 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 vorgesehen. Selbstverständlich können auch mehr Entladungselektroden vorgesehen sein. Die Gegenelektroden 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 ist ebenfalls ein nicht dargestellter Klemmanschluß für die elektrische Verbindung der geerdeten Abschirmung des einadrigen Hochspannungskabels 9 vorgesehen.
In Fig. 6 ist der Schnitt durch einen Elektrodenträger 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 Hochspannungsleitung 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 Schwierigkeiten 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 t₁ 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 lonengeschwindigkeit aufgrund der hohen Feldstärken kaum Ionen in den senkrecht zu der gitterförmigen Elektrodenanordnung nach. Fig. 5a strömenden Luftstrom eindosiert. Wird jetzt nach einer Zeit, die der lonenflugzeit entspricht, die Hochspannung steilflankig abgeschaltet, 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 spitzenförmigen 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 (t₃), um dann steilflankig abgeschaltet zu werden. Der Abstand a gemäß Fig. 5a zwischen den Elektrodenträgern 5 mit den Entladungselektroden 6 und den Gegenelektroden 4 bestimmt über die lonenbeweglichkeit die Anschaltzeit t, und t₃ der Hochspannung. Die Anschaltzeiten liegen beispielsweise zwischen einigen und einigen 10 ms insbesondere 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 Größenordnungen, für die nachteilige Partikelerzeugung im Luftstrom verantwortlich ist.
Für die Entladungselektroden wird ein erosionsarmes Elektrodenmaterial 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 Strombelastung der spitzenförmigen Entladungselektroden. Aus Spalte 2 ergibt sich ein um Faktor 6 gegenüber Wolfram geringes abgetragenes Volumen. Auch Tantal zeigte bessere Ergebnisse als Wolfram.
Das Hochspannungsmodul 31, das vorzugsweise in der Nähe der Elektrodenanordnung zur Verringerung der Länge des Hochspannungskabels 9 aber außerhalb des Luftstromes angeordnet ist, ist näher in der Fig. 7a dargestellt. Zwei Hochfrequenzoszillatoren 18 steuern über nichtdargestellte Treiber mit Niederspannung die Primärwicklung zweier Hochspannungstransformatoren 19 an, wobei je nach Durchlassin der jeweils mitvergossenen Hochspannungsdioden der eine Transformator positive Hochspannung und der andere negative Hochspannung erzeugt. Zwei Hochspannungsrelais 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 befinden oder in einem zentralen Schaltschrank untergebracht sein. Sie gibt zwei Gleichströme mit voneinander unabhängig einstellbaren Gleichspannungswerten an das Hochspannungsmodul ab, wodurch die positiven und negativen Hochspannungswerte unabhängig voneinander bestimmt werden können. Zur Regelung der von der Niederspannungsstelleinheit 30 erzeugten Gleichspannungswerte und somit zur Regelung der Balance der lonenpolarität 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 Anlagen-bauteilen gebildet. Beispielsweise ist nach Fig. 5b ein Rahmensystem 16, das elektrisch mit Masse verbunden ist, als Gegenelektrode 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

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasströmen mit einer den Gasströmen ausgesetzten Elektrodenanordnung aus mindestens einer Entladungselektrode und mindestens einer auf Massepotential liegender Gegenelektrode, die in fester und definierter Zuordnung zueinander angeordnet sind, und mit einer pulsförmigen Hochspannungsversorgung, die eine wechselnde Folge negativer und positiver Impulse mit steilen Flanken liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Entladungselektrode (6) spitzenförmig ausgebildet ist und daß die Dauer der jeweiligen positiven oder negativen Impulse etwa gleich Lang ist wie die Flugzeit der Ionen zwischen der mindestens einen Entladungselektrode und der mindestens einen Gegenelektrode und daß zwischen den Impulsen Impulspausen vorgesehen sind, deren Länge an die Geschwindigkeit des Gasstroms derart angepaßt ist, daß die während der Impulse erzeugten Ionen durch den Gasstrom weitgehend aus dem der Kraftwirkung des elektrischen Feldes ausgesetzten Raum herausgetragen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer etwa 5 bis 60 ms und der Abstand der Impulse bei einer Geschwindigkeit des Gasstroms von etwa 0,1 bis 1 m/s etwa 100 ms bis 1000 ms begträgt.

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

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 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 Entladungselektroden (6) tragenden Elektrodenträger (5) lösbar in einem Stecksitz (3, 7) befestigt sind.

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

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

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsversorgung aus einer Niederspannungsstelleinheit (30), die zwei Gleichströme mit einstellbaren Gleichspannungswerten liefert, und einem räumlich von der Niederspannungsstelleinheit (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 gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, daß die jeweiligen Hochspannungsrelais im gleichen Takt zu der Ansteuerung der zugehörigen Oszillatoren (18) lastfrei in den Impulspausen der Ansteuerung geschaltet werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Balance der lonenpolarität die zur Erzeugung der positiven und negativen Ionen benötigten Ströme gemessen werden und als Regelgröße zur Einstellung der Gleichspannungswerte dienen.

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

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