DE102021203211B3

DE102021203211B3 - Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung sowie Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102021203211B3
Application number: DE102021203211.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Werner Dehne; Thomas Obholzer
Original assignee: DEHNE ENTSTAUBUNGSTECHNIK AG
Current assignee: DEHNE ENTSTAUBUNGSTECHNIK AG
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2041-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung, wodurch eine Umsetzung des Sauerstoffs der Luft zu Hydroxylradikalen erfolgt. Die Vorrichtung umfasst eine Glasröhre (1), eine Innenelektrode (4) und eine Außenelektrode (5, 18). Die Innenelektrode (4) ist aus gebündelten Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 1,0 bis 1,2 µm ausgebildet, und die Außenelektrode (5, 18) ist als Siebzylinder ausgebildet. Der Siebzylinder ist aus einem Metalldrahtgewebe mit Längsdrähten (5a, 18a) und Querdrähten (5b, 18b) ausgebildet, wobei der Drahtdurchmesser zwischen 0,18 und 0,36 mm beträgt und der Abstand der Längsdrähte (5a, 18a) zwischen 0,4 und 1,25 mm beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung, wobei eine Umsetzung des Sauerstoffes der (Umgebungs-)Luft zu Hydroxylradikalen erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung.
Stand der Technik
Die Plasmaphysik findet ihre Anwendung inzwischen auf vielen Gebieten, wobei das Hauptaugenmerk auf der Verwendung von kaltem atmosphärischem Plasma liegt.
Es ist grundsätzlich bekannt, dass die dielektrische Entladungsform dazu dient, die Raumluft zu verbessern und Gerüche zu reduzieren. Dieses wird beispielsweise in EP 1 394 477 B1 im Einzelnen beschrieben.
Die dielektrische Entladungsform wird aber auch zur Erzeugung von Ozon genutzt, da Ozon ein starkes Oxidationsmittel für organische und anorganische Substanzen ist. Bei verschiedenen Anwendungsgebieten wird Ozon auch für die Wasseraufbereitung genutzt. Beschrieben wird eine derartige Vorrichtung beispielsweise in EP 0 789 666 B1 .
Es sind aber auch bereits kleinere Entladungsröhren bekannt, die sich zum Ziel gesetzt haben, Ozon nur bis zu dem gesetzlichen Grenzwert von 0,1 ppm zu erzeugen. Diesbezüglich wird verwiesen auf DE 10 2005 056 726 B4 und DE 101 27 035 A1 , die mit diesen Entladungsformen arbeiten.
Wenn bei der dielektrischen Entladungsform mindestens eine dielektrische Barriere zur Abschirmung der Elektroden vorgesehen ist, bleibt der geometrischen Anordnung der Elektroden weitgehend freier Spielraum. Als Dielektrikum kommen verschiedene Materialien in Betracht, wobei überwiegend Glas und Keramik verwendet wird, welches ein ausgewähltes Dielektrikum aufweist. Diesbezüglich sind Ionisationsröhren bekannt, die mit natürlicher Überströmung arbeiten. Eine natürliche Überströmung wird erreicht, wenn sich die Entladungsröhre leicht erhitzt. Bei derartigen Ionisationsröhren hat jedoch der Sauerstoff der Luft über einen relativ langen Zeitraum Kontakt mit der Entladung an der Außenelektrode, so dass meist zu viel Ozon erzeugt wird.
DE 103 16 378 B3 betrifft eine Entladungsröhre, umfassend eine Isolatorröhre mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, eine Innenelektrode aus einem flexiblen flächigen Material, die in Anlage zur Innenfläche steht, eine Außenelektrode, die in Anlage zur Außenfläche steht, ein Federelement mit mindestens einem Metalldraht, der zumindest über einen Teil der Länge der Innenelektrode zu dieser in Anlage ist und diese gegen die Innenfläche beaufschlagt.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Entwicklung der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entladungsform so weit zu präzisieren, dass durch die atmosphärische dielektrische Barriereentladung (stille elektrische Entladung) eine Umsetzung des Sauerstoffes der Luft zu Hydroxylradikalen erfolgt, um somit nicht nur Gerüche, Bakterien, Pilze und Sporen zu reduzieren, sondern auch Viren zu zerstören.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung umfasst eine Glasröhre und eine Innenelektrode, die aus gebündelten Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von ca. 1,0 bis 1,2 µm ausgebildet ist, bevorzugt ca. 1,0 µm. Die gebündelten Edelstahlfasern sind spiralförmig im Inneren der Glasröhre angeordnet. Die Länge der Fasern beträgt ca. 3 bis 6cm, im eingebauten Zustand sind die Fasern überwiegend überlappt. Die Vorrichtung umfasst ferner eine als Siebzylinder ausgebildete Außenelektrode. Der Siebzylinder ist aus einem Metalldrahtgewebe ausgebildet, wobei der Drahtdurchmesser zwischen ca. 0,18 und 0,36 mm beträgt und der Abstand der Längsdrähte zwischen ca. 0,4 und 1,25 mm liegt.
Durch die Glasröhre als Dielektrikum in Verbindung mit dem strukturierten Siebzylinder als Außenelektrode mit einer Materialdicke von 0,18 bis 0,36 mm sowie dem Abstand der Längsdrähte von 0,4 bis 1,25 mm und der Innenelektrode, die aus gebündelten Edelstahlfäden mit einer Dicke von 1,0 bis 1,2 µm besteht, findet eine homogene dielektrische Entladung statt, wobei der Raum A zwischen der Außenelektrode und der Barriere gänzlich von einer Einzelentladung erfüllt ist und wenig räumliche Strukturierungen durch Mikroentladungen zu erkennen sind. Diese homogene Entladungsform ermöglicht, dass durch die atmosphärische dielektrische Barriereentladung eine Umsetzung des Sauerstoffes der Luft zu Hydroxylradikalen erfolgt, derart dass nicht nur Gerüche, Bakterien, Pilze und Sporen reduziert werden, sondern auch Viren zerstört werden.
Während des Betriebs der Vorrichtung erfolgt durch die Entladungsröhre eine Umsetzung des Sauerstoffs der (Umgebungs-)Luft zu Hydroxylradikalen. An der Oberfläche der Außenelektrode ist das Gasgemisch leitfähig, so dass dort ein atmosphärisches Niederdruckplasma entsteht. In dem Plasmazustand des Luftgasgemisches wird die Umsetzung des Luftsauerstoffes zu Hydroxylradikalen vollzogen. Bei der Plasmaentladung wird das Sauerstoffmolekül in zwei Sauerstoffatome gespalten. Hydroxyl ist gebildet durch ein Wasserstoffatom mit einem gebundenen Sauerstoffatom. Das Hydroxyl-Radikal (OH-Radikal, HO·) ist ein Molekül aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom. Als Radikal besitzt es ein einzelnes, ungepaartes Elektron, welches durch die Plasmaentladung entsteht, und ist dadurch sehr aktiv, sich zu verbinden. Die Plasmaentladung läuft im Wesentlichen in drei Schritten ab. Zuerst werden die Moleküle aus der Luft zerlegt, z.B. O₂ in 2*O, N₂ in 2*N und H₂O in 2H und O. In einem zweiten Schritt werden Elektronen aus den Atomen und restlichen Molekülen herausgetrennt. Dies erfolgt durch hochenergetische Spannungsstöße der Wechselspannung mit einer Frequenz von vorzugsweise 25 bis 44KHz. In einem dritten Schritt fügen sich die Atome (positive Ionen und negative Ionen) wieder neu zusammen.
Hydroxylradikale weisen eine starke denaturierende Eigenschaft gegenüber singulären Zellen (Bakterien, Pilze) und singulären zellähnlichen Assoziaten (Viren) auf. Überwiegend werden ungesättigte Fettsäuren der Fette der Zellmembran oxidiert. Dadurch wird diese zerstört. Zellverbände höherer Zellen, z.B. pflanzliche Zellen oder tierische Zellen, werden hingegen in keiner Weise beeinträchtigt, da die Zusammensetzung der Fette der Zellmembranen eine andere ist.
Die hochreaktiven Sauerstoffradikale reagieren schnell mit einer Vielzahl von organischen und anorganischen Verbindungen, dadurch werden die belastete Luft und belastete Oberflächen äußerst wirksam und zuverlässig geruchsneutralisiert und desinfiziert. Die produzierten Sauerstoffradikale werden durch den Oxidationsprozess in einer bestimmten Zeit vollständig verbraucht und zerfallen wieder zu Sauerstoff.
Während des Betriebs reduziert die erfindungsgemäße Vorrichtung die erforderliche Zeit für die natürliche Zerstörung behüllter Viren von dem üblichen Zeitintervall von 3 bis 5 Tagen auf ca. 30 Minuten bzw. kann ständig betrieben werden, was zu einer fortlaufenden Desinfektion der Luft und der Oberflächen im Nahfeld führt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere auch für eine Zerstörung bestimmter aerogen übertragender Viren interessant. Dazu zählen bestimmte Rhinoviren, Influenzaviren und auch speziell Coronaviren, wie das Coronavirus „SARS-CoV-2“. Zu den vorgetragenen Ergebnissen wird auf einen Prüfbericht der Dr. Schmelz GmbH, Kompetenzzentrum für technische Hygiene und angewandte Mikrobiologie, hingewiesen.
Die Plasmaentladung entsteht an den Längsdrähten der Außenelektrode im Bereich eines Luftpolsters A, an welchem die Zündung des Längsdrahtes der Außenelektrode mit der Glasbarriere stattfindet, und an den Drahtenden der Außenelektrode. Das Luftpolster A ist insbesondere zwischen der Unterkante des Längsdrahts und der Glasbarriere ausgebildet. Damit die Entladungen auch zuverlässig an den Drahtenden der Außenelektrode stattfinden, erstreckt sich die Innenelektrode vorzugsweise zumindest über die gesamte Länge der Außenelektrode, d.h. jeweils bis zu den Drahtenden der Außenelektrode hin. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Innenelektrode über die Drahtenden der Außenelektrode hinaus. Hierdurch wird es möglich, die Plasmaentstehung über die Drahtenden der Außenelektrode hinauszuziehen, wodurch die Plasmamenge erhöht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Siebzylinder der Außenelektrode feinstrukturiert, d.h. er ist aus einem Metalldrahtgewebe ausgebildet, wobei der Drahtdurchmesser zwischen ca. 0,18 und 0,24 mm beträgt, bevorzugter ca. 0,22 mm, und der Abstand der Längsdrähte zwischen ca. 0,3 und 0,5 mm beträgt, bevorzugter ca. 0,4 mm. Die Höhe des Siebzylinders kann zwischen ca. 6 und 8 mm betragen, wobei die Länge des Siebzylinders an den Umfang der Glasröhre angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Siebzylinder der Außenelektrode grobstrukturiert, d.h. er ist aus einem Metalldrahtgewebe ausgebildet, wobei der Drahtdurchmesser zwischen ca. 0,23 und 0,36 mm beträgt, bevorzugter ca. 0,35 mm, und der Abstand der Längsdrähte zwischen ca. 0,8 und 1,25 mm beträgt, bevorzugter ca. 1,2 mm. Die Höhe des Siebzylinders kann zwischen ca. 7 und 10 mm betragen, wobei die Länge des Siebzylinders an den Umfang der Glasröhre angepasst werden kann.
Unter dieser Voraussetzung der Gestaltung der Entladungsröhre findet sowohl bei der feinstrukturierten als auch bei der grobstrukturierten Entladungsröhre eine homogene dielektrische Entladung statt, wobei der Raum A zwischen der Außenelektrode und der Barriere gänzlich von einer Einzelentladung erfüllt ist und wenige räumliche Strukturierungen durch Mikroentladungen zu erkennen sind.
Vorzugsweise ist die Glasröhre aus Kalk-Natron-Glas ausgebildet. Die Verwendung von Kalk-Natron-Glas, dessen Dielektrizitätszahl zwischen ca. ε 6,8 und 7,4 ist, bevorzugt ε 7,2 ist, trägt zu einer präzisen Entladung bei. Die Temperatur an der Oberfläche der Entladeröhre während der Nutzung beträgt ca. 30 bis 58°C. Kalk-Natron Glas nimmt mit abnehmender Temperatur stetig an Viskosität zu, wodurch eine Wandungsdicke mit einer Toleranz von ±0,03mm hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil von Kalk-Natron-Glas besteht darin, dass diese Glasart weit verbreitet ist und sich preiswert herstellen lässt.
Bevorzugt ist die Glasröhre zylinderförmig ausgebildet, wobei die Grundfläche des Zylinders geschlossen ausgebildet ist und die Deckfläche des Zylinders offen ausgebildet ist. Eine derartige Zylinderform kann einfach und kostengünstig gefertigt werden. Vorzugsweise ist die geschlossene Grundfläche des Zylinders als Flachboden ausgebildet. An der offenen
Deckfläche kann der Rand schwach verschmolzen sein. Die Glasröhre weist vorzugsweise eine Höhe von 20 mm ± 0,04 mm auf, einen Außendurchmesser von 11,25 mm ± 0,12 mm und eine Wandungsdicke von 0,7 mm ± 0,03 mm.
Vorzugsweise ist innerhalb der Glasröhre, angrenzend an die geschlossene Grundfläche, eine Scheibe zur Kennzeichnung des Einsatzbereichs bereitgestellt. Mit anderen Worten kann im Kopf der Glasröhre eine Scheibe zur Kennzeichnung des jeweiligen Einsatzbereichs eingearbeitet sein, so dass der entsprechende Einsatzbereich auf einen Blick erkannt werden kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Scheibe farbig auszuführen, d.h. verschiedene Farben für unterschiedliche Einsatzbereiche zu verwenden. Die Scheibe kann an der Grundfläche bzw. am Flachboden des Zylinders auf im Stand der Technik bekannte Arten befestigt werden. Besonders vorteilhaft wird die Scheibe jedoch in den Kopf der Glasröhre eingelegt, bevor die Innenelektrode eingearbeitet wird. In diesem Fall ist keine zusätzliche Befestigung der Scheibe erforderlich, sondern sie wird durch die Innenelektrode gehalten.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner ein HV-Kabel. Dies gestattet, dass die Elektronik, die hochfrequente Wechselspannung für den Betrieb der Vorrichtung erzeugt, in einem Abstand von der Entladungsröhre platziert werden kann. Vorzugsweise werden für die Verbindung HV-Kabel mit einer Abschirmung von 2 bis 15 kV verwendet. Bei einem Ruhepotential von vorzugsweise 1750 V AC ist weitgehend sichergestellt, dass fast ausschließlich Hydroxylradikale entstehen. Eine Bildung von Stickoxiden (NOx) ist aufgrund der chemischen Stabilität des Stickstoffgasmoleküls durch eine Dreifachbindung und eine Hybridisierung der beteiligten Atome bei einer Elektrodenspannung von 1750 V AC nicht möglich. Auch eine Ozonbildung unterbleibt bei dieser Spannung. Für die Bildung von O₃ würde außerdem idealerweise mit einer Frequenz von 15 bis 22 KHz gearbeitet. Es ist jedoch auch denkbar die Elektrodenspannung zu erhöhen, beispielsweise bis auf 3500 V, so dass zwischen 1750 V und 3500 V stufenlos eine Ozonbildung einsetzt. In diesem Fall wäre die Vorrichtung geeignet, optional neben Hydroxylradikalen auch Ozon zu bilden, zur forcierten Entkeimung oder zur Entfernung von Störgerüchen. Als effektiv zur Reduzierung von singulären Zellen oder singulären zellähnlichen Assoziaten werden jedoch Hydroxylradikale erachtet.
Vorzugsweise ist innerhalb der Glasröhre, auf der Seite der offenen Deckfläche, eine Abdichtungsscheibe mit einer Öffnung bereitgestellt. Die Abdichtungsscheibe kann bereitgestellt sein, um die gebündelten bzw. zusammengepressten Edelstahlfäden der Innenelektrode abzudichten. Die Öffnung bzw. Bohrung der Abdichtungsscheibe kann in der Mitte der Abdichtungsscheibe vorgesehen sein. Vorzugsweise ist durch diese Öffnung in der
Abdichtungsscheibe ein Leiter des HV-Kabels in das Innere der Glasröhre eingeführt und mit der Innenelektrode elektrisch leitfähig verbunden.
Vorzugsweise ist ein Freiraum innerhalb der Glasröhre zwischen Abdichtungsscheibe und der offenen Deckfläche der Glasröhre mit Vergussmasse aufgefüllt. Hierdurch wird der Innenraum der Glasröhre gegen Schmutz und Feuchtigkeit luftdicht versiegelt.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner ein Erdungskabel, das mit der Außenelektrode elektrisch leitfähig verbunden ist. Besonders bevorzugt ist das Erdungskabel aus verzinnten Einzellitzen ausgebildet und mit einer Aderendhülse mit der Außenelektrode punktverschweißt, zur Herstellung einer zuverlässigen elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen Außenelektrode und Erdungskabel. Die Aderendhülse kann dabei einseitig verschlossen sein, um zuverlässig zu verhindern, dass sich Patina auf den Einzellitzen des Erdungskabels bildet.
Vorzugsweise sind das Erdungskabel und das HV-Kabel durch zumindest einen Abstandshalter im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Durch die parallele Anordnung können beide Kabel auf der gleichen Seite aus der Vorrichtung herausgeführt werden, wodurch eine kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht wird. Ferner kann durch den zumindest einen Abstandshalter ein erforderlicher Mindestabstand zwischen den Kabeln eingehalten werden, da bei zu großer Nähe der Kabel zueinander der sogenannte Proximity Effekt auftreten kann.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner eine Gebläsevorrichtung, die zum axialen Überströmen der Glasröhre angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Gebläsevorrichtung ein Ventilator. Der durch die Gebläsevorrichtung erzeugte Luftstrom überströmt die Glasröhre vorzugsweise axial. Durch die zwangsweise Überströmung des axialen Umfangs der Glasröhre kann eine äußerst präzise Entladung stattfinden, verglichen mit einer natürlichen Überströmung ohne die Verwendung einer zusätzlichen Gebläsevorrichtung. Besonders bevorzugt erfolgt die axiale Überströmung über nahezu den gesamten Umfang, wodurch die Präzision der Entladung weiter gesteigert werden kann.
Bei dem dritten Schritt der Umsetzung des Sauerstoffs der (Umgebungs-)Luft zu Hydroxylradikalen, d.h. dem erneuten Zusammenfügen der Atome (positive Ionen und negative Ionen), wird durch die Überströmung, die sich zeitlich im Nanosekundenbereich bewegt, und die bevorzugte Frequenz von 25 bis 44 KHz, bei der erfindungsgemäßen Entladungsröhre kaum NOx gebildet, wobei dafür mehr O entsteht. Für die optionale Bildung von O₃ kann vorzugsweise mit einer Frequenz von 15 bis 22 KHz gearbeitet werden, wobei hier die Verweilzeit bis zu einer Sekunde betragen kann.
Ein weiterer Vorteil dieser geometrischen Anordnung der Gebläsevorrichtung in Bezug auf die Glasröhre ist, dass der Sauerstoff der Luft durch die gleichmäßige Überströmung des Umfangs der zylinderförmigen Entladungsröhre nur eine kurze Verweilzeit mit der Außenelektrode hat und sich dadurch die Ozonentwicklung verringert. So werden beispielhaft bei jedem Peak in der Sinuswelle der hochfrequenten Wechselspannung von 1750V AC, 25.000 Amplituden pro Sekunde, und einer Zündung (im Bereich A) bei einem Strom von ca. 200mA, die zwischen Unterkante Längsdraht und Glasbarriere erfolgt, ca. 290.000 negative Ionen/cm³ erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung umfasst ein Bereitstellen einer Glasröhre, Bereitstellen einer Innenelektrode, die aus gebündelten Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 1,0 bis 1,2 µm ausgebildet ist, an einem Innenumfang der Glasröhre, und Bereitstellen einer als Siebzylinder ausgebildeten Außenelektrode an einem Außenumfang der Glasröhre. Der Siebzylinder ist aus einem Metalldrahtgewebe ausgebildet, wobei der Drahtdurchmesser zwischen 0,18 und 0,36 mm beträgt und der Abstand der Längsdrähte zwischen 0,4 und 1,25 mm beträgt. Die Edelstahlfasern der Innenelektrode werden mit ca. 20-27 N / 75mm², bevorzugter ca. 20-27 N / 76mm² , besonders bevorzugt ca. 24 N / 76mm² , insbesondere ca. 24 N / 76,2mm², angepresst.
Durch das Bereitstellen eines strukturierten Siebzylinders als Außenelektrode mit einer Materialdicke von ca. 0,18 bis 0,36 mm sowie einem Abstand der Längsdrähte von ca. 0,4 bis 1,25 mm, und einer Innenelektrode, die aus gebündelten Edelstahlfäden mit einer Dicke von ca. 1,0 bis 1,2 µm besteht und mit ca. 20-27 N/ 75mm² angepresst wird, wird die gewünschte homogene Entladungsform erzielt. Die gebündelten Edelstahlfäden, die spiralförmig angeordnet im Inneren der Glasröhre mit einem Stempel angepresst werden, eignen sich sehr gut, in der geometrisch runden Form der Glasröhre, über den gesamten Innenumfang der Glasröhre gleichmäßig angepresst zu werden.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert erläutert, wobei

1 eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung mit einer feinstrukturierten Außenelektrode ist;
2 eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung mit einer grobstrukturierten Außenelektrode ist;
3 eine schematische Darstellung ist, welche einen Bereich A zeigt, an welchem die Zündung eines Längsdrahtes der Außenelektrode mit einer Glasbarriere stattfindet; und
4 eine schematische Darstellung einer Entladung B bei einer Ausführungsform mit der feinstrukturierten Außenelektrode ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In 1 ist eine runde, zylindrische Entladungsröhre dargestellt. Die Entladungsröhre umfasst eine Glasröhre 1, die aus Kalk-Natron-Glas ausgebildet ist. Die Glasröhre 1 ist als Zylinder ausgebildet mit einer Grundfläche 2, die als ein Flachboden ausgestaltet ist, und einer Deckfläche 3, welche als eine offene Seite ausgebildet ist. Ein Außendurchmesser der Glasröhre beträgt vorzugsweise ca. 11,25 mm. Eine Wandungsdicke der Glasröhre ist ca. 0,7 mm, wobei eine Toleranz der Glasröhrenwandungsdicke ca. 0,03 mm beträgt. Eine Dielektrizitätszahl ε des Kalk-Natron-Glases der Glasröhre ist 7,2.
Eine Innenelektrode 4 ist aus gebündelten Edelstahlfäden mit einer Fadendicke von 1 µm ausgebildet. Die Fadenlänge beträgt ca. 3 bis 6cm. Die Edelstahlfäden werden in der Glasröhre 1 mit beispielsweise 24 N / 76,2mm², zusammengepresst.
Der in 1 gezeigte feinstrukturierte Siebzylinder als Außenelektrode 5 ist aus Metalldrahtgewebe ausgebildet und weist eine Drahtdicke von vorzugsweise 0,18 bis 0,24 mm auf. Das Metalldrahtgewebe umfasst Längsdrähte 5a sowie Querdrähte 5b. Ein Freiraum (Luftpolster A, siehe 3) zwischen Unterkante Längsdraht 5a der Außenelektrode 5 und der Glasbarriere 1 beträgt ca. 0,2 mm. Der Siebzylinder weist eine Gesamthöhe von 8 mm auf, wobei die Länge des Siebzylinders an den Umfang der Glasröhre 1 anpassbar ist.
In 2 wird ein grobstrukturierter Siebzylinder als Außenelektrode 18 dargestellt. Ähnliche bzw. gleiche Elemente wie in 1 werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der grobstrukturierte Siebzylinder ist aus Metalldrahtgewebe ausgebildet und weist eine Dicke von vorzugsweise 0,23 mm bis 0,36 mm auf. Das Metalldrahtgewebe umfasst Längsdrähte 18a sowie Querdrähte 18b. Ein Freiraum (Luftpolster A, siehe 3) zwischen Unterkante Längsdraht 18a der Außenelektrode 18 und der Glasbarriere 1 beträgt ca. 0,7 mm. Der Siebzylinder weist eine Gesamthöhe von 9 mm auf, wobei die Länge des Siebzylinders an den Umfang der Glasröhre 1 anpassbar ist.
Die Entladungsröhre hat vielfältige Einsatzgebiete, z.B. offene und geschlossene Trocknungsschränke, Sterilisationsboxen, Klimakanäle, Tischgeräte, Warteräume, öffentliche Verkehrsmittel. Je nach Einsatzgebiet werden verschiedene Siebzylinder 5, 18 berücksichtigt, überwiegend wird der grobstrukturierte Siebzylinder 18 dort eingesetzt, wo eine höhere Luftfeuchtigkeit zu erwarten ist. Deshalb weist die Glasröhre 1 vorzugsweise im Inneren des Glaskopfes, d.h. dem Bereich angrenzend an die Grundfläche 2, eine farbige Kennzeichnung 6 auf, die kundenwunschspezifisch variiert werden kann. Zur leichteren Identifizierung des Einsatzgebiets, kann eine auch eine dazugehörige Leiterplatte eine identische farbliche Kennzeichnung erhalten. Neben einer farbigen Kennzeichnung werden jedoch auch andere Arten der Kennzeichnung in Erwägung gezogen, wie beispielsweise Markierungen mit Symbolen, Zahlen, Buchstaben oder Wörtern etc.
Die Kennzeichnung des entsprechenden Einsatzgebietes ist als Scheibe 6 mit einem Durchmesser vorzugsweise von ca. 9,5 mm und einer Dicke von 0,8 bis 1,5 mm ausgebildet. Das Material ist vorzugsweise EPDM oder Silikon. Die Kennzeichnungsscheibe 6 wird in den Kopf der Glasröhre 1 gelegt, bevor die Innenelektrode 4 eingearbeitet wird. Dadurch wird keine Befestigung der Kennzeichnungsscheibe 6 benötigt.
Die in 1 und 2 gezeigte Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung umfasst ferner einen Ventilator, 7 der die Glasröhre 1 vorzugsweise axial 8 überströmt, damit ein im Umfang allseitiger Kontakt der Luft mit der Glasröhre 1 bzw. Entladungsröhre erreicht wird.
Nachdem die gebündelten Edelstahlfäden der Innenelektrode 4 zusammengepresst wurden, dichtet vorzugsweise eine Abdichtungsscheibe 9 diese Edelstahlfäden gegen äußere Einflüsse wie Luftfeuchtigkeit und Verunreinigungen ab. Die Abdichtungsscheibe 9 ist aus Silikon ausgebildet und weist mittig eine Öffnung bzw. Bohrung 10 mit einem Durchmesser von 1 mm auf. Durch diese Öffnung 10 wird ein Leiter 17 eines HV-Kabels 12 in das Innere der Glasröhre 1 eingeführt, so dass die hochfrequente Wechselspannung Kontakt mit der Innenelektrode 4 hat. Der Arbeitsgang des Einführens des Leiters 17 des HV-Kabels 12 erfolgt über einen Stempel, mit dem die Innenelektrode 4 eingesetzt wird. Der Stempel weist in seinem Inneren eine Öffnung bzw. Bohrung auf, durch welche das HV-Kabel 12 durchgeführt wird, der abisolierte verzinnte Leiter 17 wird in die Öffnung 10 der Abdichtungsscheibe 9 eingeführt, und anschließend werden die gebündelten Edelstahlfäden der Innenelektrode 4 zusammengepresst. Ein Freiraum zwischen der Abdichtungsscheibe 9 und der offenen Seite der Glasröhre 1, d.h. der offenen Deckfläche 3, wird mit Vergussmasse 11 gegen Schmutz und Feuchtigkeit luftdicht versiegelt.
Ein Erdungskontakt erfolgt über ein Erdungskabel 13 aus Silikon, mit verzinnten Einzellitzen 15, wobei der Kabelquerschnitt 0,75 mm² beträgt.
Eine Verbindung vom Erdungskabel 13 zur Außenelektrode 5, 18 erfolgt mit einer Aderendhülse 14, die aus einer Nickel-Kupfer Legierung ausgebildet ist. Die Nickel-Kupfer Legierung weist eine gute Leitfähigkeit auf und verhindert weitgehend, dass sich Patina auf den Einzellitzen 15 des Erdungskabels 13 bildet. Die Aderendhülse 14 weist eine Länge von 8 mm auf, und das Erdungskabel 13 mit den verzinnten Einzellitzen 15 wird 3 bis 5 mm abisoliert. Die abisolierten Einzellitzen 15 werden mit der Aderendhülse 14 zusammengepresst und dann mit der Außenelektrode 5,18 punktverschweißt.
Die Aderendhülse 14 ist im oberen Teil fest verschlossen, damit sich durch die Mikrooxidation keine Patina an den verzinnten Einzellitzen 15 bildet.
Da die Erfindung für vielfältige Einsatzgebiete anwendbar ist, bei denen auch unterschiedliche Entfernungen von der Entladungsröhre bis zur Elektronik, welche die hochfrequente Wechselspannung erzeugt, überbrückt werden müssen, kommt den Kabeln 12, 13 besondere Bedeutung zu.
Das Erdungskabel 13 und das HV-Kabel 12 sind jeweils flexibel zu verlegende Silikonkabel.
Bei der Verlegung ist darauf zu achten, dass diese Kabel 12, 13 nicht eng parallel verlaufen dürfen. Der Mindestabstand zwischen den Kabeln 12, 13 beträgt 15 bis 20 mm, die Gesamtlänge der Kabel 12, 13 liegt zwischen ca. 5 bis 21 cm. Die Länge variiert mit dem Einsatzgebiet, z.B. größere Standgeräte, bei denen auch zwei Entladungsröhren eingebaut werden können, erfordern eine größere Kabellänge, oder aber eine Sterilisationsbox mit einer Plasmaröhre, die eine geringere Kabellänge erfordert.
Wenn in eng parallel geführten Leitern eine hochfrequente Wechselspannung fließt, tritt der sogenannte Proximity Effekt auf. Der durch einen Leiter fließende Strom generiert um sich herum ein Magnetfeld, das den Parallelleiter durchdringt und dort Induktionswirbelströme erzeugt. Dadurch nehmen Verluste und auch die Impedanz zu. Die Impedanz führt auch zu einer nicht unerheblichen Verringerung der Frequenz, da die Impedanz ausschlaggebend für den Schwingungskreis ist. Zur Vermeidung des Proximity Effekts wird deshalb mit Abstandshaltern 16 gearbeitet, durch die ein vorbestimmter Mindestabstand zwischen den Kabeln 12, 13 eingehalten werden kann.
In 3 ist eine schematische Darstellung, die den Bereich A (Luftpolster) zeigt, an welchem die Zündung des Längsdrahtes 5a, 5b; 18a, 18b der Außenelektrode 5, 18 mit der Glasbarriere 1 stattfindet. Insbesondere finden die Entladungen an den Längsdrähten 5a, 18a im Bereich des Luftpolsters A zwischen der Unterkante Längsdraht 5a, 18a und der Glasbarriere 1 sowie an den Drahtenden der Außenelektrode 5, 18 statt.
In 4 wird eine Entladung B bei einer Ausführungsform mit der feinstrukturierten Außenelektrode 5 gezeigt. Wie dargestellt, weist bei dieser Ausführungsform die Innenelektrode 4 eine größere Länge als die Außenelektrode 5 auf, d.h. die Innenelektrode 4 geht über die Kanten bzw. Drahtenden der feinstrukturierten Außenelektrode 5 hinaus. Die Plasmaentstehung B wird dadurch -über das Drahtende der Außenelektrode 5 hinaus- weiter hinausgezogen. Durch den Einfluss des Dielektrikums auf die Entladungseigenschaften, entsteht eine verstärkte Randschichtentladung an den Drahtenden. Auf Grund des Memoryeffekts hat der Entladungsverlauf einen entscheidenden Einfluss auf das Zündverhalten der dielektrischen Barriereentladung. Die im Plasma generierten Ladungsträger können wegen der Barrieren nicht richtig abfließen und lagern sich auf deren Oberfläche ab. Da die Innenelektrode 4 über die Kanten der feinstrukturierten Außenelektrode 5 hinausgeht, wird die Plasmaentstehung noch weiter über das Drahtende der Außenelektrode 5 hinausgezogen bzw. verlängert, und somit die Plasmamenge erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Glasröhre (Dielektrikum)
2: Grundfläche (Flachboden)
3: Deckfläche (offene Seite der Glasröhre)
4: Innenelektrode
5: Außenelektrode (feinstrukturiert)
5a: Längsdraht der Außenelektrode
5b: Querdraht der Außenelektrode
6: Scheibe zur Kennzeichnung des Einsatzbereichs
7: Gebläsevorrichtung (Ventilator)
8: Axiale Überströmung
9: Abdichtungsscheibe
10: Öffnung in Abdichtungsscheibe
11: Vergussmasse
12: HV-Kabel
13: Erdungskabel GND
14: Aderendhülse
15: Verzinnte Erdungslitzen
16: Abstandshalter
17: Leiter HV-Kabel
18: Außenelektrode (grobstrukturiert)
18a: Längsdraht der Außenelektrode
18b: Querdraht der Außenelektrode
A: Luftpolster
B: Entladung

Claims

Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung, mit: - einer Glasröhre (1), - einer Innenelektrode (4), die an einem Innenumfang der Glasröhre (1) bereitgestellt ist, wobei die Innenelektrode (4) aus gebündelten Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 1,0 bis 1,2 µm ausgebildet ist, welche spiralförmig im Inneren der Glasröhre (1) angeordnet und zusammengepresst sind, und - einer als Siebzylinder ausgebildeten Außenelektrode (5, 18), die an einem Außenumfang der Glasröhre (1) bereitgestellt ist, wobei der Siebzylinder aus einem Metalldrahtgewebe mit Längsdrähten (5a, 18a) und Querdrähten (5b, 18b) ausgebildet ist, wobei der Drahtdurchmesser zwischen 0,18 und 0,36 mm beträgt und der Abstand der Längsdrähte (5a, 18a) zwischen 0,4 und 1,25 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Glasröhre (1) aus Kalk-Natron-Glas ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasröhre (1) zylinderförmig ausgebildet ist, wobei die Grundfläche (2) des Zylinders geschlossen ausgebildet ist, vorzugsweise als Flachboden, und die Deckfläche (3) des Zylinders offen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei innerhalb der Glasröhre (1), angrenzend an die geschlossene Grundfläche (2), eine Scheibe (6) zur Kennzeichnung des Einsatzbereichs bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, ferner mit einem HV-Kabel (12), wobei innerhalb der Glasröhre (1), auf der Seite der offenen Deckfläche (3), eine Abdichtungsscheibe (9) mit einer Öffnung (10) bereitgestellt ist, und ein Leiter des HV-Kabels (17) durch die Öffnung (10) in der Abdichtungsscheibe (9) in das Innere der Glasröhre (1) eingeführt und mit der Innenelektrode (4) elektrisch leitfähig verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Freiraum innerhalb der Glasröhre (1) zwischen Abdichtungsscheibe (9) und der offenen Deckfläche (3) mit Vergussmasse (11) versiegelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Erdungskabel (13), das mit der Außenelektrode (5, 18) elektrisch leitfähig verbunden ist, wobei, vorzugsweise, das Erdungskabel (13) aus verzinnten Einzellitzen (15) ausgebildet ist und mit einer Aderendhülse (14) mit der Außenelektrode (5, 18) punktverschweißt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei Abhängigkeit von Anspruch 5 oder 6, wobei das Erdungskabel (13) und das HV-Kabel (12) durch zumindest einen Abstandshalter (16) parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einer Gebläsevorrichtung (7), wobei die Gebläsevorrichtung (7) zum axialen Überströmen der Glasröhre (1) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für die atmosphärische dielektrische Barriereentladung gemäß Anspruch 1, folgende Schritte umfassend: - Bereitstellen einer Glasröhre (1), - Bereitstellen einer Innenelektrode (4), die aus gebündelten Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 1,0 bis 1,2 µm ausgebildet ist, an einem Innenumfang der Glasröhre (1), und - Bereitstellen einer als Siebzylinder ausgebildeten Außenelektrode (5, 18) an einem Außenumfang der Glasröhre (1), wobei der Siebzylinder aus einem Metalldrahtgewebe mit Längsdrähten (5a, 18a) und Querdrähten (5b, 18b) ausgebildet ist, wobei der Drahtdurchmesser zwischen 0,18 und 0,36 mm beträgt und der Abstand der Längsdrähte (5a, 18a) zwischen 0,4 und 1,25 mm beträgt, und wobei die Edelstahlfasern spiralförmig im Inneren der Glasröhre (1) angeordnet werden und die Innenelektrode (4) durch Anpressen der spiralförmig angeordneten Edelstahlfasern mit 20-27 N / 75mm² ausgebildet wird.