WO2009033577A2

WO2009033577A2 - Verfahren und vorrichtung zur auf-, um- oder entladung von aerosolpartikeln durch ionen, insbesondere in einen diffusionsbasierten bipolaren gleichgewichtszustand

Info

Publication number: WO2009033577A2
Application number: PCT/EP2008/007101
Authority: WO
Inventors: Christian LÜBBERT; Ulrich Riebel
Original assignee: Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-03-19
Also published as: WO2009033577A3; DE102007042436B3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auf-, Um- oder Entladung durch Ionen, insbesondere zum Umladen von gasgetragenen Partikeln in den bipolaren Ladungszustand, wie er bei der reinen Diffusionsaufladung nach Fuchs vorliegt, unter Verwendung eines hochfrequenten Plasmas in Kombination mit einer oszillierenden Strömung. Weiterhin betrifft die Anmeldung die Verwendung der Vorrichtung zum Zweck der Neutralisation von Oberflächenladungen, der Erzeugung eines "Synthetic Jet" sowie zur Erzeugung von Schall.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Auf-, Um- oder Entladung von Aerosolpartikeln durch Ionen, insbesondere in einen diffusionsbasierten bipolaren

Gleichgewichtszustand

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auf-, Um- oder Entladung durch Ionen, bei welchem die Produktion der Ionen außerhalb des eigentlichen Neutralisationsbereiches in einem lonenerzeugungsbereich stattfindet. Als Neutralisationsbereich wird dabei allgemein der Bereich bezeichnet, in welchem die Auf-, Um- oder Entladung der aufzuladenden, umzuladenden oder zu entladenden Substanzen oder Gegenstände durch die Ionen erfolgt.

Das Verfahren und eine Vorrichtung dienen dabei insbesondere der Auf-, Um- oder Entladung von gasgetragenen Partikeln, insbesondere in einen diffusionsbasierten bipolaren Gleichgewichtszustand, und dabei insbesondere zur Aerosolauf- oder Aerosolumladung in den definierten Ladungszustand der bipolaren Diffusionsaufladung (Neutralisation nach Fuchs IM).

Technische Aerosole in der Industrie und Forschung weisen oft eine mittlere bis hohe elektrische Ladung auf. Die elektrische Neutralisation ermöglicht neben dem Abbau der Nettoladung die Herstellung von Aerosolen definierten Ladungszustandes. Vor allem in der Forschung und in der Messtechnik (DMA) kann dies eine unumgängliche Voraussetzung sein. Zusätzlich kann mit Hilfe der Neutralisation die Wahrscheinlichkeit von elektrischen Entladungen oder Staubexplosionen reduziert und z.B. einer verstärkten Abscheidung in Rohren und Anlagenteilen entgegengewirkt werden.

Bekannte Aerosol-Neutralisatoren basieren auf radioaktiven Quellen oder auf einer oder mehreren Corona-Entladungen.

Radioaktive Präparate produzieren aufgrund des radioaktiven Zerfalls Strahlung, die im Aerosolraum gleiche Anzahlen an Anionen und Kationen erzeugt. Die Gasionen laden anschließend das Aerosol in den theoretisch gut beschreibbaren Ladungszustand der bipolaren Diffusionsaufladung auf.

Die Anwendung radioaktiver Quellen ist, abgesehen von der Beachtung sicherheitstechnischer Aspekte, sehr einfach. Eine Einstellung oder Nachregelung muss bei ordnungsgemäßer Auslegung nicht vorgenommen werden. Allerdings ist der Anwendungsbereich radioaktiver Quellen beschränkt, einige Nachteile sind:

• Die sicherheitstechnischen Anforderungen an den Anwender der radioaktiven Quelle sind hoch.

• Es können nur kleine Aerosol-Volumenströme (<150 l/min) neutralisiert werden.

• Die Neutralisation in den Gleichgewichtszustand nach Fuchs kann nur für recht kleine Aerosolkonzentrationen und geringe Anfangsladungen erfolgen.

• Die Kosten sind sehr hoch.

Die Neutralisatoren auf Basis der Corona-Entladung sind grundsätzlich in der Lage, größere Volumenströme, höhere Konzentrationen und höhere Anfangsladungen des Aerosols zu bewältigen.

Romay et al. sprechen von drei Problemen bei der Neutralisation mit Corona- Entladungen 121:

• ungleiche Produktionsraten von positiven und negativen Ionen

• Ozonproduktion

• Partikelproduktion durch Sputtern oder chemische Reaktionen in den meisten Fällen erfolgt die lonenproduktion dabei außerhalb des Aerosolraumes, da der Aerosolraum in diesem Fall feldfrei bleibt und eine Abscheidung von Partikeln durch Wanderung im elektrischen Feld so verhindert wird. In diesem Fall werden die benötigten Ionen in einem getrennten Prozessraum produziert, und dann mit Hilfe eines sauberen Trägergasstroms in den feldfreien Aerosolraum eingetragen (z.B. Romay et al. /2/, Zamorani et al. /3/, Adachi et al. /4/). Die Verdünnung des Aerosols ist dabei ungewollt, zusätzlich geht der Großteil der Gasionen durch Abscheidung an den Wänden und Rekombination verloren. Die daraus entstehende Notwendigkeit einer Überproduktion an Gasionen erhöht auch den Ozoneintrag.

Apparaturen, die mit elektrischen Entladungen direkt im Aerosolraum arbeiten, wurden von Hinds /5/, Gutsch /6/ und Stommel /7/ entwickelt. Die Apparaturen von Hinds und Gutsch erreichen jedoch nur das Ziel einer Ladungsreduktion oder der Aufladung in einen Undefinierten bipolaren Ladungszustand. Für keine der beiden genannten Vorrichtungen konnte eine Auf- oder Umladung des Aerosols in das diffusionsbasierte Ladungsgleichgewicht beobachtet werden. Zusätzlich konnte eine merkbare Abscheidung nicht verhindert werden. Eine Apparatur, die bei geringer Ozonproduktion und ohne Verdünnung des Aerosols ein nicht oder nur gering netto geladenes Aerosol in den Zustand der bipolaren Diffusionsaufladung überführen kann, wurde durch Stommel Rl entwickelt. Sie arbeitet mit einer Corona-Entladung wechselnder Polarität direkt im Aerosolraum. Probleme mit statischen Aufladungen der großteils aus Kunststoff bestehenden Konstruktion führen hier, mit Blick auf die messtechnische Verwertung des Verfahrens, teilweise zu nicht zufriedenstellenden Neutralisationsergebnissen.

Die bisher entwickelten elektrischen Verfahren sind damit nur in der Lage einen makroskopisch neutralen Ladungszustand zu erreichen und/oder reagieren empfindlich auf bestimmte Stoffe in der Gasphase und Verschmutzungen, so dass zumindest ein erheblicher Regelaufwand erforderlich ist, um den gewünschten Ladungszustand einzustellen. Dadurch entstehen einerseits erhebliche Kosten und andererseits eine teils nicht ausreichende Zuverlässigkeit der Systeme. Der Eintrag positiver und negativer Ladungsträger findet in den elektrischen Systemen räumlich oder zeitlich getrennt statt. Daher haben lonenmobilitäten und Leitfähigkeiten von Oberflächen, die mit der Raumladung in Kontakt stehen, einen erheblichen Einfluss das Neutralisationsergebnis.

Des weiteren besteht bei elektrischen Verfahren, bei denen das Aerosol mit den Elektroden in Berührung steht, Gefahr durch die verwendete Hochspannung. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Auf-, Um- oder Entladung durch Ionen zu schaffen, insbesondere um die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 35 gelöst und ergibt sich durch die Erzeugung der Ionen außerhalb des Aerosolraums, in Kombination mit einer oszillierenden Strömung. Vorteilhafterweise erfolgt die Erzeugung der Ionen dabei mittels einer elektrischen Entladung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es dabei, ein Verfahren zu schaffen, bei dem Gasionen beider Polaritäten - vorteilhafterweise mit Hilfe hoch- bzw. höchstfrequen- ter elektrischer Entladungen - gleichzeitig hergestellt und ohne Verwendung eines Trägergases sehr schnell in den Aerosolraum transportiert werden.

In der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise ein Plasma verwendet, um zunächst gleiche Mengen positiver und negativer Ladungsträger zu erzeugen, welche dann mittels einer oszillierenden Strömung in den Neutralisationsraum eingebracht werden. Insbesondere wird dabei ein hochfrequentes Plasma in Kombination mit einer oszillierenden Strömung verwendet.

Mit der Vorrichtung kann so die Aufladesituation in radioaktiven Aufladern bestmöglich nachgestellt werden. Es kann damit auch auf nicht-radioaktivem Weg eine Umladung des Aerosols in den diffusionsbasierten Gleichgewichtszustand erfolgen. Erfindungsgemäß werden die genannten Aufgaben weiterhin durch eine günstige Entladungsführung, Strömungserzeugung und -führung, Elektrodengestaltung und Geometrie des Neutralisators gelöst.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Dabei zeigen

Figuren 1 und 2 eine Prinzipdarstellung der Erzeugung einer erfindungsgemäßen oszillierenden Strömung,

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 9 ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 10 ein achtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 11 ein neuntes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 12 ein zehntes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 13 ein elftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 14 ein Diagramm, welches die Aufladung von Aerosolen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt, und

Figur 15 eine Prinzipdarstellung eines SMPS-Systems.

In einem abgeschlossenen, zum Aerosol hin einseitig offenen lonenerzeugungs- raum wird eine Gasentladung in Form eines Hoch- oder Höchstfrequenzplasmas erzeugt. Die so erzeugten Ionen werden mit Hilfe einer oszillierenden Strömung in den Neutralisationsraum getragen, wo eine intensive Vermischung der lonenwolke mit dem zu behandelnden Aerosol erfolgt. In den Figuren 1 und 2 ist dieser Vorgang dargestellt. Bei der Zündung des Plasmas (Fig.1) wird durch das untere Plasma (Fig.1 ,71) eine Gasexpansion verursacht, in Folge derer die Ionen, die im oberen Plasma (Fig.1 ,61) erzeugt wurden, aus dem lonenerzeugungsvolumen ausgetragen werden. Wird das Plasma abgeschaltet strömt Gas aus dem Neutralisationsvolumen zurück in das lonenerzeugungsvolumen (Fig.2) Da die lonenproduktion und Partikelumladung räumlich getrennt statt finden und die Partikelumladung daher in einem quasi feldfreien und mit geerdeten Wänden umgebenen Raum erfolgt, wird die Umladungssituation in Neutralisatoren, die mit radioaktiven Quellen arbeiten gut nachgestellt. Die lonenbewegung wird durch Raumladung, Diffusion und Konvektion dominiert.

Wegen des lonentransports mittels einer oszillierenden Strömung erfolgt keine Verdünnung des Aerosols. Die oszillierende Strömung sorgt gleichzeitig für eine schnelle Vermischung des Aerosols mit dem ionenangereicherten Gas aus dem lonenerzeugungsraum.

Die Aufenthaltszeit des Aerosols im Neutralisator ist mit Werten zwischen 1 und 5 Sekunden sehr klein und erlaubt damit nur vernachlässigbar kleine Diffusionsverluste und Agglomerationseinflüsse. Die Partikelgrößenverteilung des Aerosols bleibt somit erhalten. Durch günstige Entladungsführung und Geometrie des Neutralisators, insbesondere im Hinblick auf einen sehr schnellen lonentransport in das Neutralisationsvolumen, können Transportverluste an Ionen und Nachladungseffekte aufgrund der entstehenden UV-Strahlung minimiert beziehungsweise verhindert werden. Eine Nutzung der UV-Strahlung zum Abbau starker Nettoladungen mittels Photoeffekt ist bei geeigneter Aerosolführung möglich.

Die Ozon- und Stickoxidproduktion sollen durch eine effiziente Nutzung der produzierten Ionen möglichst gering gehalten werden. Eine günstige Auslegung des Neutralisators in Bezug auf schnelle Vermischung der ausgestoßenen lonenwolke mit dem Aerosol hat durch Verlangsamung der lonenrekombination eine gute Ausnutzung der produzierten Ionen zufolge.

Eine Regelung der Konzentrationen von positiven und negativen Ionen, wie sie bei anderen nicht-radioaktiven Verfahren erfolgt, ist nicht erforderlich, weil der isolierend begrenzte lonenerzeugungsraum praktisch nur von gasgetragenen Ladungsträgern verlassen werden kann. Die Ladungsträger liegen im Gleichgewichtszustand des Systems in Form einer bipolaren Raumladung vor. Die lonenproduktion kann über die (mittlere) Leistung der Entladung gesteuert werden, der lonentransport über die Amplitude und die Frequenz der oszillierenden Strömung. Damit ist eine Anpassung der lonenkonzentration im Neutralisationsvolumen an den Aerosolvolumenstrom und die Partikelkonzentration prinzipiell möglich.

Eine Maßstabsvergrößerung ist für eine gewählte Geometrie nur in geringem Maße möglich. Aufgrund der sehr einfachen und kostengünstigen Möglichkeiten, dieses Verfahren umzusetzen, bietet sich hier eine Parallel- oder Reihenschaltung einzelner Neutralisationsvolumina an.

Erste Versuche mit Partikeln zwischen 30 und 300 nm zeigten, dass die entwickelte Apparatur nach Fig. 3 auch für Aerosole mit starker Nettoladung gut in der Lage ist, die Aufladung in den diffusionsbasierten Gleichgewichtszustand nachzubilden (Fig.14). Der Abbau starker positiver oder negativer Nettoladungen ist also möglich. Für die Messung wurde die neuartige Vorrichtung an Stelle der zur Neutralisation vorgesehenen radioaktiven Kr85 Quelle in dem SMPS-System der Firma TSI eingebaut (Fig. 15).

Die Abscheidung im Neutralisator ist sehr gering und behindert eine korrekte Funktionsweise auch dann nicht, wenn eine Partikelablagerung im lonenerzeugungs- raum stattfindet.

Erfindungsgemäß werden die aufgeführten Effekte durch die Kombination der folgenden Schritte besonders effektiv genutzt:

1. Positive und negative Ladungsträger werden gleichzeitig, bevorzugt durch ein VHF-Plasma (z.B. ein Mikrowellenplasma), in einem mit dem Neutralisationsvolumen in Verbindung stehenden, aber praktisch nicht vom Aerosol durchströmten lonenerzeugungsvolumen (z.B. in einem einseitig verschlossenen Glasröhrchen) hergestellt.

2. Die Ladungsträger werden mittels einer oszillierenden Strömung in den feldfreien Neutralisationsraum befördert.

3. Die Entladung wird so moduliert, dass eine lonenproduktion vornehmlich o- der ausschließlich dann erfolgt, wenn die oszillierende Strömung so gerichtet ist, dass ein Ladungseintrag in das Neutralisationsvolumen erfolgt.

4. Der Neutralisationsraum ist so gestaltet, dass der Impulseintrag durch die oszillierende Strömung zu einer schnellen Vermischung des Aerosols mit der ionenangereicherten Strömung führt.

5. Das Aerosol wird während der Durchströmung des Neutralisators mehreren loneneintragsvorgängen ausgesetzt.

Es ist weiterhin denkbar, dass die vom Plasma emittierte UV-Strahlung Ionen im Neurtralisationsraum erzeugt, die an der Neutralisation beteiligt sind. Der Neutralisationsraum kann elektrisch leitfähige Wände haben, so dass überschüssige Ladungsträger durch das Raumladungsfeld zur Wand transportiert werden und abfließen können.

Die Entladung kann dabei selbst als Quelle der oszillierenden Strömung dienen. Es ist aber auch denkbar eine oszillierende Strömung über einen Lautsprecher oder ähnliches zu erzeugen.

Die Erfindung ermöglicht neben der Aerosolneutralisation auch die Neutralisation statischer Ladungen auf Objekten aller Art, die der ionisierten Strömung ausgesetzt werden. Daneben kann die Erfindung auch einfach als „Synthetic Jet" oder Schallgenerator mit sehr kleinen Abmessungen verwendet werden.

Fig. 3 zeigt einen typischen Aufbau der Vorrichtung. In einen Mikrowellenhohlleiter (Fig.3,1) ist durch eine Öffnung ein einseitig geschlossenes Röhrchen aus einem dielektrischen Material (Fig.3, 31) eingelassen, welches das lonenerzeugungsvolu- men darstellt. Die verschlossene Seite des Röhrchens befindet sich dabei im Hohlleiter, die offene Seite im Neutralisationsvolumen (Fig.3, 21). Im Röhrchen befindet sich ein feldverstärkendes Element aus einem Material hoher Dielektrizitätskonstante (Fig.3,41). Bei eingeschalteter Energiezufuhr bildet sich im Röhrchen am oberen und unteren Ende des feldverstärkenden Elements (Fig.1 ,61 ; Fig.3,6) und (Fig. 1 ,71 ; Fig.3, 7) ein Plasma aus. Das untere Plasma (Fig.1 ,71) erzeugt dabei eine Druckwelle, mittels derer die Ionen des oberen Plasmas (Fig.1 ,61) gemäß Fig.1 ,62 in den Neutralisationsraum (Fig.3, 21) transportiert werden. Wird die Energieversorgung abgeschaltet kühlt sich das Gas im Inneren des Röhrchens schnell ab. Es strömt Gas gemäß Fig.2,62 aus dem Neutralisationsraum (Fig.3,21) in das Röhrchen (Fig.3, 31). Ein ständiges Ein- und Ausschalten z.B. durch eine getaktete Entladung führt wegen des kleinen Durchmessers des dielektrischen Röhr- chens(Fig.3,31) aufgrund einer nichtlinearen Schallausbreitung zu einer oszillierenden Strömung („Synthetic Jet"), mittels derer die Ionen aus dem Röhrchen (Fig.3, 31) in den Neutralisationsraum (Fig.3, 21) befördert und mit dem Aerosol vermischt werden (Fig.1 ;Fig.2). Der Taktfrequenz und dem Taktverhältnis sind lediglich schaltungstechnische Grenzen gesetzt. Taktfrequenzen vom Einzelpuls bis zu mehreren 10 kHz lassen sich problemlos einstellen.

Figur 4 stellt eine Vorrichtung dar, in der das Neutralisationsvolumen(Fig.4,22) so gestaltet ist, dass der Aerosolstrom koaxial mit der oszillierenden Strömung verläuft. Außerdem ist ein feldmodulierendes Element (Fig.3,5) dargestellt, mit welchem die räumliche Verteilung des unteren Plasmas (Fig.3, 7) beeinflusst wird. In Figur 5 ist eine Vorrichtung mit tangentialem Aerosoleintritt und axialem Aerosolaustritt in das Neutralisationsvolumen, ähnlich einem Zyklon, (Fig.5, 23) zu sehen. Die Begrenzung des lonenerzeugungsvolumen(Fig.5,32) ist hier durch eine kugelförmige Auswölbung im unteren Teil so gestaltet, dass die von dem intermittierend gezündeten Plasma erzeugte Schallwelle resonant im lonenerzeugungsvolumen schwingt.

In Figur 6 ist am unteren Ende des feldverstärkenden Elements (Fig.6,42) eine Kugel angebracht, die, wie das feldmodulierende Element (Fig.6,5) ebenfalls der Modulation des elektrischen Feldes dient.

Eine Vorrichtung, bei der das feldverstärkende Element (Fig.7,43) mittels einer Spule auf die Resonanzfrequenz der elektromagnetischen Welle eingestellt wird, ist in Figur 7 abgebildet. Dies bietet sich insbesondere bei der Verwendung niedriger Frequenzen an, um die Baugröße klein zu halten. Des weiteren ist das Neutralisationsvolumen (Fig.7, 21) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aus einem Material mit hoher Austrittsarbeit (Fig.7, 9) versehen, um störende Ladungsträgererzeugung durch den Photoeffekt zu verhindern.

Figur 8 stellt eine Vorrichtung dar, in der das Feldverstärkende Element als Beschichtung auf das dieelektrische Röhrchen aufgebracht ist (Fig.8,44). In Kombination mit dem feldmodulierenden Element (Fig.8, 5) und der Wand des Neutralisationsvolumens bilden sich hier Hohlkathodenanordnungen für die Erzeugung der beiden Plasmen in den Bereichen 6 und 7.

Figur 9 zeigt eine Vorrichtung, bei der der für den lonentransport erforderliche Schall nicht durch ein Plasma (Fig.9, 7) erzeugt wird, sondern mittels eines Lautsprechers (Fig.9,11). Die Intensitäten der Wechselströmung und des Plasmas können so hier unabhängig voneinander eingestellt werden. Eine Vorrichtung, bei der ein unerwünschter Photoeffekt im Neutralisationsvolumen (Fig.10,22) verhindert werden kann, ist in Figur 10 dargestellt. Durch den Knick im dieelektrischen Röhrchen (Fig.10,35) trifft im Plasma erzeugtes Licht auf die Wand des dieelektrischen Röhrchens und gelangt somit nicht in das Neutralisationsvolumen (Fig.10,22).

Eine Vorrichtung in Sondenform ist in Figur 11 zu sehen. Die elektromagnetische Welle wird über ein Koaxialkabel (Fig.11 , 9) zum lonenerzeugungsvolumen geführt. Die Einkopplung der elektromagnetischen Welle erfolgt über die Abschirmung des Koaxialkabels und das feldmodulierende Element (Fig.11 ,52) welches mit dem inneren Leiter des Koaxialkabels verbunden ist.

Eine Vorrichtung in Helikaltopfkreisbauweise ist in Figur 12 abgebildet. Die elektromagnetische Welle wird hier durch ein Koaxialkabel zugeführt und induktiv gekoppelt. In das elektrisch leitfähige Gehäuse des Topfkreises ist ein Röhrchen aus einem dieelektrischen Material (Fig.12, 31) eingelassen. Zwischen dem feldmodulierenden Element (Fig.12,5) und dem freien Ende des elektrisch leitfähigen Innenleiters (Fig.12,45) entsteht ein kapazitiv gekoppeltes Plasma bei 7, welches die Wechselströmung erzeugt. Im Spulenteil, am offenen Ende des dielektrischen Röhrchens (Fig.12,6), werden in einem induktiv gekoppelten Plasma die für Neutralisation zur Verfügung stehenden Ionen erzeugt. Der Innenraum des Topfkreises (Fig.12, 10) kann mit einem Dielektrikum gefüllt werden.

Die in Figur 13 dargestellte Vorrichtung stellt eine topfkreisähnliche Anordnung dar. In einem elektrisch leitfähigen Gehäuse (Fig.13,8) befindet sich ein beidseitig offenes, dielektrisches Röhrchen (Fig.13,33), in dem sich ein feldverstärkendes Element (Fig.13,46) befindet. Im Betrieb bilden sich an den beiden Enden des feldverstärkenden Elements bei 6 Plasmen aus, die die Ionen für die Neutralisation zur Verfügung stellen. Das dielektrische Röhrchen ist seiner Mitte von einem feldmodulierenden Element (Fig.13,53) umgeben, das mit dem Innenleiter eines Koaxialkabels (Fig.13,9) verbunden ist. Diese Konstruktion zur Einspeisung der elektromagnetischen Welle dient gleichzeitig als Halterung für das dielektrische Röhrchen. Zwischen dem feldmodulierenden Element (Fig.13,53) und dem feldverstärkenden Element (Fig.13,46) bildet sich bei 7 das Plasma aus, das zur Erzeugung der Wechselströmung erforderlich ist. Der Innenraum des Topfkreises (Fig.13, 10) stellt hier gleichzeitig das Neutralisationsvolumen dar. Das Aerosol kann über geeignete Öffnungen in den Topfkreis ein- und ausströmen.

Als zu verwendende Frequenzen für das plasmaerzeugende Feld kommen aus praktischen Gründen insbesondere die ISM-Frequenzen 6765 kHz bis 6795 kHz, 13553 kHz bis13567 kHz, 26957 kHz bis 27283 kHz, 40,66 MHz bis 40,70 MHz₁ 433,05 bis MHz 434,79 MHz, 902 MHz bis 928 MHz, 2400 bis MHz 2500 MHz₁ bis 5725 MHz 5875, bis MHz 24 bis GHz 24,25 GHz, 61 bis GHz 61 ,5 GHz₁ 122 GHz bis 123 GHz₁ 244 bis GHz 246 GHz in Betracht. Prinzipiell kann aber auch mit anderen, auch niedrigeren Frequenzen gearbeitet werden.

Erklärung der Bezugszeichen in den Figuren

1) Mikrowellenhohlleiter

21 ) Neutralisationsraum - Aerosolströmung senkrecht zur Wechselströmung

22) Neutralisationsraum - Aerosolströmung parallel zur Wechselströmung

23) Neutralisationsraum - Aerosolströmung tangential zur Wechselströmung

31) Dielektrisches Röhrchen

32) Dielektrisches Röhrchen mit akustischem Resonator

33) Dielektrisches Rohrchen beidseitig offen

34) Dielektrisches Röhrchen mit Ankopplung an einen Lautsprecher

35) Dielektrisches Röhrchen mit Knick

41) Stabförmiges, feldverstärkendes Element

42) Stabförmiges, feldverstärkendes Element mit Endkugel

43) Stabförmiges, feldverstärkendes Element mit Spule

44) Feldverstärkendes Element in Form einer Beschichtung im dielektrischen Röhrchen

45) Feldverstärkendes Element mit Spule bei Topfkreiskonfiguration

46) Stabförmiges, feldverstärkendes Element bei Topfkreiskonfiguration 5) Feldmodulierendes Element

52) Feldmodulierendes Element welches gleichzeitig zur Energieeinkopplung verwendet wird 53) Feldmoduiierendes Eiement weiches gleichzeitig zur Energieeinkopplung verwendet wird

6) Ort des oberen Plasmas

60) Oberes Plasma (aus)

61) Oberes Plasma (ein)

62) Strömung am offenen Rohrende

7) Ort des unteren Plasmas

70) Unteres Plasma (aus)

71) Unteres Plasma (ein)

8) elektrisch leitfähige Wand

9) koaxiale Leitung

10) Innenraum des Topfkreise

11) Lautsprecher

Literatur

IM Fuchs, N., On the stationary Charge distribution on aerosol particles in a bipolar ionic atmosphere, Geofis. Pura Appl., Vol. 56, 1963, pp. 185-192

121 Romay, F., Liu, B., Pui, D., A sonic jet Corona ionizer for electrostatic discharge and aerosol neutralization, Aerosol Sei. Tech., Vol. 20, 1994, pp. 31-41

/3/ Zamorani, E., Ottobrini, G., Aerosol particle neutralization to Boltzmann's equili- brium by AC Corona discharge, J. Aerosol Sei., Vol. 9, pp. 31-39

IAI Adachi, M., Pui, D., Liu, B., Aerosol Charge neutralisation by a Corona ionizer, Aerosol Sei. Tech., Vol. 18, 1993, pp. 48-58

/5/ Hinds, W., Kennedy, N., An ion generator for neutralizing concentrated aerosols, Aerosol Sei. Tech., Vol. 22, 2000, pp. 214-220 /Ql Gutsch, A., Agglomeration feinster gasgetragener Partikel unter dem Einfluss elektrischer Kräfte, Dissertation, Universität Fridericiana Karlsruhe, 1995

/7/ Stommel, Y. G., Neutralisation submikroner Aerosole durch hochfrequente Co- rona-Entladung. Dissertation, Brandenburische Technische Universität Cottbus, 2006

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Auf-, Um- oder Entladung durch Ionen, insbesondere zur Auf- und Umladung von Aerosolpartikeln insbesondere in einen diffusionsbasierten bipolaren Gleichgewichtszustand, bei welchem die Produktion der Ionen außerhalb eines Neutralisationsbereiches in einem lonenerzeugungsbereich stattfindet,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Transport der Ionen aus dem lonenerzeugungsbereich in den Neutralisationsbereich konvektiv mittels einer oszillierenden Strömung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei im lonenerzeugungsbereich eine gleichzeitige Produktion positiver und negativer Ionen stattfindet, insbesondere zur Herstellung einer neutralen, bipolaren lonenatmosphäre.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Produktion der Ionen in einem elektrisch gegen die Umgebung isolierten lonenerzeugungsraum stattfindet.

4. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen mittels elektrischer Entladungen erzeugt werden.

5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen mittels eines Plasmas erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen mittels eines Plasmas mit einer Frequenz zwischen 10OkHz und 250GHz erzeugt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma mit einer ISM-Band Frequenz betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen durch ein Mikrowellenplasma bereitgestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen durch ein RF-Plasma bereitgestellt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen mittels einer dielektrischen Barriereentladung bereitgestellt werden.

11.Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem der lonentransport durch eine oszillierende Strömung erfolgt, die durch die Entladung selbst induziert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem der lonentransport durch eine oszillierende Strömung erfolgt, die nicht durch die Entladung selbst induziert wird.

13. Verfahren Anspruch 12, bei dem die oszillierende Strömung mittels eines Lautsprechers erzeugt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsproduktion zeitlich konstant erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsproduktion nicht zeitlich konstant erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsproduktion gepulst erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Ladungsproduktion zeitlich variiert.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Ladungsproduktion periodisch variiert.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feldverstärkendes Element zur Erzeugung der Entladung verwendet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19 wobei als feldverstärkendes Element ein Dipol aus Metall oder einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante besteht.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei als Metall Tantal oder Platin verwendet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 wobei der Dipol als gerader oder gebogener Stab ausgeführt ist.

23. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Dipol als Beschichtung auf einem geeigneten Substrat ausgeführt ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung der oszillierenden Strömung ein akustischer Resonator verwendet wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Energiezufuhr über Koaxial- oder Streifenleitung.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass sich der/die lonenerzeugungsraum/-räume ganz oder teilweise in einem Hohlleiter oder Topfkreis befindet/befinden.

27. Verfahren nach Anspruch 11 zur Erzeugung von Schall.

28. Verfahren nach Anspruch 11 zur Erzeugung eines „Synthetic Jet".

29. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Neutralisation statischer Ladungen, insbesondere von Oberflächenladungen.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Ionen in einem abgeschlossenen, zum Neutralisationsraum hin einseitig offenen lone- nerzeugungsraum erzeugt werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass das Aerosol durch den Neutralisationsraum hindurchfließt, insbesondere über voneinander getrennte Zu- und Abflüsse, insbesondere kontinuierlich.

32. Verfahren nach Anspruch 31 , wobei das Aerosol den Neutralisationsraum in 1 bis 5 Sekunden durchströmt.

33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, wobei das Aerosol während der Durchströmung des Neutralisatonsraums mehreren loneneintragsvorgängen ausgesetzt wird.

34. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Neutralisationsraum elektrisch leitfähige Wände aufweist, über welche überschüssige Ladungsträger abfließen.

35. Vorrichtung zur Auf-, Um- oder Entladung durch Ionen, insbesondere von Aerosolpartikeln insbesondere in einen diffusionsbasierten bipolaren Gleichgewichtszustand, mit einem Neutralisationsbereich und einem räumlich vom Neutralisationsbereich getrennten lonenerzeugungsbereich,

dadurch gekennzeichnet,

dass Mittel zum Erzeugen einer oszillierenden Strömung vorgesehen sind, mittels welcher der konvektive Transport der Ionen aus dem lonenerzeugungsbereich in den Neutralisationsbereich erfolgt.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35 zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 34.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, welche zur Durchführung des Verfahrens eine entsprechende Steuerung aufweist.

38. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem abgeschlossenen, zum Neutralisationsraum hin einseitig offenen lonenerzeugungs- raum.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche gekennzeichnet dadurch, wobei der Neutralisationsraum voneinander getrennte Zu- und Abflüsse für das Aerosol aufweist.

40. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Neutralisationsraum elektrisch leitfähige Wände aufweist.

41. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit Mitteln zur Erzeugung elektrischer Entladungen im lonenerzeugungsbereich.

42. Vorrichtung nach Anspruch 41 , wobei im lonenerzeugungsbereich ein Feldverstärkendes Element angeordnet ist.

43. Vorrichtung nach Anspruch 41 , wobei sich der lonenerzeugungsraum ganz o- der teilweise in einem Hohlleiter oder Topfkreis befindet.

44. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit getrennten Bereichen zur Erzeugung der Ionen und zur Erzeugung der oszillierenden Strömung.

45. Vorrichtung nach Anspruch 44, mit einem ersten Entladungsbereich zur Erzeugung einer oszillierenden Strömung und einem zweiten Entladungsbereich zur Erzeugung der Ionen.

46. Vorrichtung nach Anspruch 44, mit einem Lautsprecher zur Erzeugung der oszillierenden Strömung.

47. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen zur Neutralisation von Oberflächenladungen, zur Erzeugung eines „Synthetic Jet" oder zur Erzeugung von Schall.