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Die Erfindung bezieht sich auf einen
elektrochemischen Ozonerzeuger zur Erzeugung von Ozon mit einer
elektrochemischen Zelle, umfassend eine Kathode und eine Anode und
einen dazwischen angeordneten Elektrolyten.
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Die Funktionsweise und Einsatzgebiete
eines elektrochemischen Ozonerzeugers mit einer Zelle umfassend
eine Kathode, eine Anode und eine dazwischen angeordnete Feststoffelektrolytmembran als
Elektrolyt zur Erzeugung von Ozon in VE-Wasser (VE-Wasser = voll
entsalztes Wasser) werden beispielsweise in der
DE 196 06 606 C2 beschrieben einschließlich des
in der
DE 196 06 606
C2 zitierten Standes der Technik.
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Seit einigen Jahren ist bekannt,
daß mit
Bor dotierte Filme aus Diamant auf geeigneten Substraten elektrochemisch über einen
großen
Potentialbereich in wässrigen
Medien stabil sind. Insbesondere ist auch bekannt, daß solche
Elektroden eine hohe Überspannung
für die
Sauerstoffentwicklung aufweisen und daher als Anoden für die Ozonerzeugung
in Frage kommen („Electrochemical
Behavior of Synthetic Boron-Doped-Diamond Thin Film Anodes", D. Gandini, P.-A.
Michaud, I. Duo, E. Mahe, W. Haenni, A. Perret, C. Comninellis;
New Diamond and Frontier Carbon Technology Vo. 9 No. 5 (1999) pp
303-316).
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Aus der
EP 0 994 074 A2 ist eine
Anordnung und Verfahren zur anodischen Oxidation von wässrigen
Lösungen,
insbesondere zur Wasseraufbereitung, Abwasserbehandlung und Bäderaufbereitung mit
einer mit einer Schicht aus Diamant ausgestatteten Elektrode bekannt.
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Ebenso wird in der
DE 100 25 167 A eine Elektrode
für die
elektrolytische Erzeugung von Ozon und/oder Sauerstoff beschrieben.
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Die bisher auf dem Markt befindlichen
elektrochemischen Ozonerzeuger – Elektrolysezellen zum
Erzeugen von Ozon – sind
stationäre
Anlagen, die mit einer entsprechenden Stromversorgungseinrichtung
mit Netzanschluß betrieben
werden. Derartige stationäre
Elektrolysezellen mit Stromversorgungseinrichtungen über Netzanschluß werden
beispielsweise zur Herstellung von Ozon in vielfältigen Anwendungsgebieten eingesetzt,
da Ozon mit einem Oxidationspotential von 2,07 eV ein äußerst wirksames
Oxidationsmittel darstellt. Ozon wird daher in der Chemie und Pharmazie
beispielsweise zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei der Kunstfaserherstellung,
Herstellung reiner Oxidationsmittel für chemische Prozesse, Herstellung
von Grundstoffen für
die pharmazeutische und kosmetische Industrie, Herstellung von Peroxyden,
für die
Entkeimung und Desinfektion von Trinkwasser, Mineralwasser, Schwimmbeckenwasser,
Brauchwasser, Kühl-
und Abwasser sowie in der Zellstoff-, Papier-, Textil-, Druck- und Kunststoffindustrie
für das
Bleichen von Zellstoffen, Papier, Tonerden und Textilfasern u.a.
eingesetzt. Ebenso wird es in der Nahrungsmittelindustrie zum Bleichen
von Nahrungsmittelprodukten, zum Entkeimen von Nahrungsmitteln,
zur Desinfektion von Lagerräumen,
Verpackungsmitteln, Produktionsmaschinen ebenso wie zur Reinigung
von Abgasen und Abluft eingesetzt.
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Die elektrochemischen Ozonerzeuger
erzeugen neben Ozon hauptsächlich
Sauerstoff sowie weitere peroxidische und andere Elektrolyseprodukte
je nach Zusammensetzung des an der Anode umgesetzten Wassers.
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Mit den handelsüblich erhältlichen Elektrolysezellen
zum Erzeugen von Ozon kann diesen industriellen Bedürfnissen
Rechnung getragen werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß darüber hinaus auch
ein Bedarf besteht, kleine und Kleinstmengen von Wasser zu entkeimen
und zu sterilisieren, beispielsweise für Laborproben oder in Apotheken
bei der Herstellung von flüssigen
Medikamenten, oder dem analytischen Bereich oder für Trinkwasserportionen.
Hierbei handelt es sich üblicherweise
um Wassermengen von 3 l und weniger. Hierfür kommen industrielle stationäre Anlagen
zum Erzeugen von Ozon aus wirtschaftlichen Gründen nicht in Frage.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen elektrochemischen Ozonerzeuger zu schaffen, mit dem es möglich wird,
kleine und Kleinstmengen von Wasser in wirtschaftlicher Weise mittels
Ozonisierung vor Ort zu sterilisieren und zu entkeimen.
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Erfindungsgemäß wird ein elektrochemischer
Ozonerzeuger vorgeschlagen, der als mobiles von Hand händelbares
und tragbares Gerät
ausgebildet ist und bei dem die Zelle von austauschbaren Einwegteilen
gebildet ist.
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Die Erfindung schlägt somit
ein sehr kleines handliches Gerät,
ausgebildet in einer miniaturisierten Gestalt, vor, das auch als
Mini-Ozongenerator bezeichnet werden könnte. Das erfindungsgemäße Gerät umfaßt sowohl
den Ozongenerator als auch die Stromversorgung in einem tragbaren
Gerät,
so daß es
unabhängig
von einer stationären
Stromversorgung mobil ist und überall
vor Ort eingesetzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Gerät dient insbesondere der Inaktivierung
von Keimen und Bakterien in Wasser vor Ort, um voll entsalztes oder
nicht voll entsalztes Wasser keimarm und steril zu machen und zwar
in kleinen Mengen, wobei an Mengen von 1 bis 3 l gedacht ist. Entsprechend
klein kann die Zelle ausgebildet sein, die natürlich auch keine sehr lange Lebensdauer
hat, so daß sie
nach Benutzung und Inaktivwerden der Zellenbauteile in ihrer Gänze dem Gerät entnommen
und als Einwegteil weggeworfen werden kann und durch eine neue Zelle
ersetzt werden kann oder nur die verbrauchten Teile der Zelle ausgetauscht
werden. Für
den mobilen Einsatz ist es ebenfalls von Bedeutung, daß das Gerät nicht zwangsläufig an
ein Netz angeschlossen werden muß, sondern mittels Batterie
und/oder Solarzelle und/oder wiederaufladbarer Batterie mit kleinen
Energiemengen vor Ort versorgt werden kann. Natürlich ist es auch möglich, das
erfindungsgemäße Gerät so auszubilden,
daß es
an ein Netzteil anschließbar
ist oder wiederaufladbar ist.
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Das erfindungsgemäße Gerät ist somit für die Produktion
einer kleinen Menge Ozon und Sauerstoff für eine Lebensdauer von beispielsweise
1 – 2 Stunden,
bis die Zellenbauteile verbraucht sind, ausgelegt, um dann durch
Austausch der verbrauchten und inaktiv gewordenen Teile oder aller
Teile der Zelle das Gerät
wieder einsatzbereit zu machen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Gerätes zur
Erzeugung von Ozon mit einer elektrochemischen Zelle sind den kennzeichnenden
Merkmalen der Unteransprüche
entnehmbar.
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Gemäß einem Vorschlag der Erfindung
weist das Gerät
ein ein- oder mehrteiliges rohrförmiges
Gehäuse
mit Öffnungen
an dem vorderen Ende und hinteren Ende des Gehäuses auf und in dem Gehäuse sind
ausgehende von dem vorderen Ende des Gehäuses nacheinander die Kathode,
die Feststoffelektrolytmembran, die Anode, ein in Längserstreckung des
Gehäuses
sich erstreckender und mit der Anode in Kontakt bringbarer Kontaktstift,
eine elektrische Stromquelle und ein Verschlußteil für das hintere Ende des Gehäuses angeordnet,
wobei anschließend
an die Anode in Richtung auf die Stromquelle ein gegenüber der
Stromquelle abgedichteter Anodenraum in dem Gehäuse ausgebildet ist und der
Anodenraum einen Durchlaß für die erzeugten
Gase aufweist.
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Bei Eintauchen des erfindungsgemäßen Gerätes mit
seinem vorderen Ende kann durch die Öffnung am vorderen Ende des
rohrförmigen
Gehäuses das
zu behandelnde Wasser mit der Zelle kontaktieren und aus dem Durchlaß des Anodenraumes
kann das erzeugte Gas, enthaltend Ozon, aus dem Gehäuse austreten
und in das das vordere Ende des Gehäuses umgebende zu behandelnde
Wasser eintreten.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Gerätes mit
einem rohrförmigen
Gehäuse,
in welchem die Funktionsteile hintereinander angeordnet sind, ermöglicht eine
kompakte Bauweise. Insbesondere ist vorgesehen, das Gehäuse länglich stabförmig auszubilden,
so daß es
in Behältnisse
wie Flaschen, Töpfe
oder dergleichen mit seinem vorderen Ende eingetaucht, eingestellt
oder eingehängt werden kann,
wobei die Länge
des Gehäuses
bevorzugt im Bereich von 1:5 bis zu 1:15 liegt. Insbesondere ist
es möglich,
sehr kleine Geräte
zu bauen. Der Außendurchmesser
des Gehäuses
richtet sich vorzugsweise nach dem Durchmesser der einzulegenden
Batterien und ist entsprechend der Gehäusewandung größer auszubilden,
er liegt bevorzugt im Bereich zwischen 10 bis 50 mm. Die Länge des
Gehäuses
richtet sich einerseits nach den Abmessungen der Batterien sowie
des Zellherzes und beträgt
vorzugsweise wenigstens etwa 10 cm. Falls das Gerät sehr lang
sein soll, um einen entsprechend hohen Behälter einzubringen, kann das
Gehäuse
auch entsprechend länger
ausgebildet werden. Damit ist ein handliches tragbares Gerät als Mini-Ozongenerator
geschaffen, das in Kleinformat eine Größe wie ein Kugelschreiber aufweist.
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Der zwischen der elektrischen Stromquelle und
der Anode angeordnete Kontaktstift ist in dem Gehäuse in Längserstreckung
desselben bewegbar gehaltert. Diese Halterung des Kontaktstiftes
kann bevorzugt zugleich als Abdichtung gegenüber dem Gehäuse und zugleich eine Abdichtung
des Anodenraumes gegenüber
dem Gehäuse
und dem Kontaktstift beinhalten.
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Bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen elektrochemischen
Ozonerzeugers ist der Anodenraum über mindestens einen in dem
Gehäuse ausgebildeten
Durchlaß mit
der Umgebung verbunden. Dies ermöglicht,
daß bei
Eintauchen des Gerätes
mit seinem vorderen Bereich in ein zu behandelndes Wasser, daß das Wasser
durch den Durchlaß in Kontakt
mit dem Anodenraum kommt und die bei der Elektrolyse entstehenden
Gase aus dem Anodenraum in das zu behandelnde Wasser gelangen. An seinem
von der Anode abgewandten Ende ist der Kontaktstift mit der Stromquelle
in Kontakt bringbar, während
er an seinem mit der Anode kontaktierenden Ende, mit welcher er
an die Anode andrückbar ist,
beispielsweise flach oder ballig ausgebildet ist.
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Gemäß einem Vorschlag der Erfindung
ist die Kathode herausnehmbar, d.h. wieder lösbar am Gehäuse gehaltert. Hierbei können die
Teile der Zelle einzeln, d.h. separat voneinander in das Gehäuse einsetzbar
sein oder aber gemeinsam, in welch letzterem Fall z.B. Kathode und
Anode unter Zwischenanordnung des Elektrolyten beispielsweise zu
einer Einheit verbunden sind.
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Die Einwegzelle aus Kathode, Elektrolyt
und Anode ist gemäß einem
Vorschlag über
die Kathode an dem Gehäuse
gehaltert. Bei Ausbildung des Elektrolyten als Feststoftelektrolytmembran
kann diese lose auf die bereits am Gehäuse festgelegte Kathode aufgelegt
und hierauf die Anode lose aufgelegt werden. Bei verbrauchter Anode
kann dann durch Lösen der
Kathode von dem Gehäuse
des Gerätes
gleichzeitig Feststoftelektrolytmembran und Anode entfernt werden
und die verbrauchten Teile durch neue ersetzt werden.
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Gemäß einem Vorschlag der Erfindung
ist die aus Kathode, Elektrolyt und Anode zusammengesetzte Zelle
in das vordere offenen Ende des Gehäuses eingesetzt und mittels
eines Befestigungsmittels, welches am vorderen Ende des Gehäuses befestigbar
ist, positionierbar und halterbar, wobei das Befestigungsmittel
eine zentrale durchgehende Ausnehmung koaxial zu dem rohrförmigen Gehäuse aufweist.
Durch diese Ausnehmung in dem Befestigungsmittel kann das zu behandelnde
Wasser in der Kathode kontaktieren.
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Es ist möglich, das Gehäuse an seinem
vorderen Ende innenseitig mit einer Stufenbohrung zu versehen, auf
welche die Kathode aufgelegt wird, und diese dann beispielsweise
mittels eines Befestigungsmittels, wie eines Schraubringes oder
Bajonettverschlusses, welcher in die stufenförmige Bohrung vom vorderen
Ende des Gehäuses
her eindrehbar ist, lösbar
zu befestigen. Das Befestigungsmittel kann auch beispielsweise außenseitig
am Gehäuse befestigt
werden, wie mittels einer Schraubverbindung oder Bajonettverbindung
oder einer Klemmverbindung, wobei jedoch das Befestigungsmittel
stets eine zentrale durchgehende Ausnehmung aufweisen soll, so daß die am
Gehäuse
festgelegte Kathode mit der Umgebung in Verbindung steht. Beispielsweise kann
das Gehäuse
am vorderen Ende mindestens einen sich quer zur Längserstreckung
erstreckenden ein Bajonett bildenden Schlitz aufweisen, durch welchen
die Kathode zum Haltern in dem Gehäuse einsteckbar und wieder
entnehmbar ist.
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Es ist auch möglich, das Gehäuse am vorderen
Ende mit zwei einander gegenüberliegenden, sich
quer zur Längserstreckung
erstreckenden Schlitzen auszubilden, durch welche die Kathode zum
Haltern in dem Gehäuse
einsteckbar und wieder entnehmbar ist.
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Zellen, welche eine Feststoffelektrolytmembran
enthalten, werden in Verbindung mit der Behandlung von VE-Wasser
eingesetzt, um dieses durch Ozonisierung keimfrei zu machen. Zellen,
die eine diamantbeschichtete Anode aufweisen, dienen der Behandlung
von nicht entsalztem Wasser, wie z.B. Trinkwasser, um dieses zu
desinfizieren. Hierbei wird eine Zelle aus der diamantbeschichteten
Anode und einer von dieser beabstandet angeordneten Kathode gebildet,
wobei der zwischen Anode und Kathode gebildete Spaltraum von dem
Elektrolyten ausgefüllt wird,
und dieser Elektrolyt wird in diesem Fall von dem zu behandelnden
Wasser gebildet. Bei diesen Zellen kann die diamantbeschichtete
Anode unter Ausbildung des Spaltraumes mit der Kathode lose, lösbar oder
unlöslich
zusammengesetzt sein. Als Abstandhalter zur Ausbildung des Spaltraumes
für den Elektrolyten
kann z.B. ein poröses
Teil oder Abstandhalter verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag
der Erfindung ist das Verschlußteil
mit einer Einrichtung zum Ein- und Ausschalten der elektrischen
Stromquelle ausgestattet. Das Verschlußstück dient in einer ersten Funktion
zum Verschließen
des Gehäuses,
dem Andrücken
des Kontaktstiftes an die Anode und dem Zusammenhalt der Teile in
dem Gehäuse
und in einer zweiten Funktion zum Herstellen des elektrischen Kontaktes,
d.h. Ein- und Ausschalten des Gerätes. Das Verschlußstück kann
beispielsweise über
eine Bajonettverbindung oder Schraubverbindung mit dem hinteren
Ende des Gehäuses
verbunden werden. Zwischen der in dem Gehäuse untergebrachten Stromquelle,
beispielsweise den Batterien, und dem Verschlußstück kann eine erste Druckfeder
angeordnet sein. Diese erste Druckfeder dient dem mechanischen Zusammenhalt
von Anode, Kontaktstift und Batterien im Gehäuse, wobei jedoch kein Strom fließt. Erfindungsgemäß kann das
Verschlußstück mit zwei
aufeinanderfolgenden Stellungen ausgebildet sein, von denen die
erste Stellung den mechanischen Zusammenhalt der Teile des Gerätes bewirkt und
die zweite Stellung den elektrischen Kontakt zwischen Stromquelle
und Kontaktstift herstellt. Diese beiden voneinander getrennten
und aufeinanderfolgenden Stellungen des Verschlußstückes können beispielsweise in Verbindung
mit zwei Druckfedern, welche nacheinander bei entsprechender Bewegung des
Verschlußstückes wirksam
werden, erreicht werden. Die zweite Druckfeder stellt bei Aktivierung
den elektrischen Kontakt her – Einschalten – und bei Deaktivierung – Ausschalten – des Gerätes.
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Der Kontaktstift sollte aus einem
korrosionsbeständigen,
leitfähigen
Metall, beispielsweise aus Titan oder einem anderen Ventilmetall,
wie Zirkonium, Niob und/oder Tantal gefertigt werden. Der Kontaktstift
dient der Aktivierung des Ozonerzeugers, der Positionierung und
Halterung der Feststoffelektrolytmembran und der Anode zu der Kathode
durch Andrücken
des Kontaktstiftes an die Anode.
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In Weiterbildung des Gerätes wird
vorgeschlagen, das Gehäuse
zu unterteilen und zwei rohrförmige
Gehäuseteile
vorzusehen, die koaxial miteinander lösbar verbindbar sind, wobei
ein Gehäuseteil die
Zelle und den Anodenraum umfaßt
und das vordere Gehäuseteil
bildet und ein Gehäuseteil
den Kontaktstift, die Stromquelle und das Verschlußteil umfaßt und den
hinteren Gehäuseteil
bildet. Diese beiden rohrförmigen
Gehäuseteile
können
beispielsweise miteinander verschraubt, geclipst oder nach Art eines
Bajonettverschlusses verbunden werden. Der Anodenraum des vorderen
Gehäuseteiles
kann dann an dem dem hinteren Gehäuseteil zugewandten Ende mittels
einer wasserdichten Abdeckung verschlossen sein, durch welche der
Kontaktstift beim Zusammenfügen
durchstoßbar
oder durch eine Öffnung
durchführbar
ist und hierbei kann die Abdeckung einen Durchlaß für das sich in dem Anodenraum
ansammelnde, mittels der Zelle erzeugbare Gasgemisch aufweisen.
Bevorzugt ist das die Zelle und den Anodenraum enthaltende vordere
Gehäuseteil
an seinem dem hinteren Gehäuseteil
zugewandten Ende mit einer wasserdichten, jedoch dampfdiffusionsoffenen
Abdeckung – Membran – abgedeckt,
so daß das
mittels der Zelle erzeugbare Gasgemisch hindurch permeieren kann.
Es ist auch möglich,
in der wasserdichten Abdeckung ein Ventil vorzusehen, damit die
sich im Anodenraum bildenden Gase entweichen können. Die Abdeckung kann auch
von einer Elastomerfolie gebildet werden, welche entlang der Durchstoßöffnung für den Kontaktstift
sich ansammelnde Gase nach außen
durchläßt.
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Bei Ausbildung eines geschlossenen
Anodenraumes in dem Gehäuse
des Gerätes
ist es nun möglich,
den Anodenraum mit voll entsalztem Wasser zu füllen, wobei die entstehenden
Gase über
einen entsprechenden Durchlaß aus
dem Anodenraum entweichen können.
Auf diese Weise ist es möglich, mittels
des erfindungsgemäßen Gerätes bei
Verwendung einer Zelle mit Feststoffelektrolytmembran auch nicht
voll entsalztes Wasser zu sterilisieren, da im Anodendraum voll
entsalztes Wasser vorhanden ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird
vorgeschlagen, das vordere Gehäuseteil
mit Zelle und Anodenraum einschließlich voll entsalztem Wasser
als auswechselbare Patrone und damit Einwegteil auszubilden. Das
Entweichen des erzeugbaren Gasgemisches und Ozons wird beispielsweise
durch eine dampfdiffusionsoffene Abdeckung des Anodenraumes ermöglicht oder
durch eine entsprechende verschließbare Öffnung. Um die Patrone mit
dem hinteren Gehäuseteil
zu verbinden, ist es erforderlich, daß beim Verbinden der Kontaktstift
durch das dem hinteren Gehäuseteil
zugewandte Ende der Patrone eindringt und bis an die Anode heranführbar ist.
Hierfür wird
vorgeschlagen, daß die
Abdeckung des vorderen Gehäuseteiles
an ihrem dem hinteren Gehäuseteil
zugewandten Ende mit einer von der Spitze des Kontaktstiftes durchdringbaren Öffnung ausgebildet ist,
durch welche der Kontaktstift abgedichtet bis zur Kontaktierung
der Anode durchführbar
ist. Die Öffnung
in der Abdeckung des vorderen Gehäuseteiles kann beispielsweise
mittels einer abziehbaren Schutzfolie abgedeckt sein, die beim Zusammenfügen der
Teile abgenommen wird.
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Das erfindungsgemäße Gerät zum Erzeugen von Ozon, welches
eine auswechselbare Patrone, welche die Zelle und im Anodenraum
voll entsalztes Wasser enthält,
aufweist, kann auch zur Sterilisierung und Entkeimung von nicht
voll entsalzten Flüssigkeiten,
insbesondere Wasser, eingesetzt werden und zwar für kleine
Mengen. Beispielsweise kann damit eine Tasse voll Trinkwasser durch
Eintauchen des erfindungsgemäßen Gerätes mit
seinem vorderen Ende für
wenige Minuten durch Erzeugung von Ozon, welches in das Trinkwasser über den
Anodenraum und dessen Durchlaß gelangt,
sterilisiert werden.
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Bei Ausbildung der Zelle mit einer
porösen Kathode,
einer Feststoffelektrolytmembran und einer Anode aus einem porösen bzw.
wasserdurchlässigen Substrat
und einem aufgebrachten Elektrokatalysator kann das Gerät zur Desinfektion
und Entkeimung von voll entsalztem Wasser verwendet werden.
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Bei Ausbildung der Zelle mit einer
Kathode und einer vorzugsweise diamantbeschichteten Anode kann das
Gerät zum
Behandeln, d.h. Entkeimen und Desinfizieren, Sterilisieren von nicht
entsalztem Wasser (Trinkwasser, Brauchwasser) verwendet werden.
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Durch den erfindungsgemäßen einfachen Aufbau
des Gerätes
mit einem rohrförmigen
länglichen
Gehäuse,
das an seinem vorderen Ende offen ist, kann die Kathode unmittelbar
durch Eintauchen des Gerätes
mit seinem vorderen Teil in das zu sterilisierende Wasser aktiviert
werden. Durch Einschaltung der Stromquelle über das Verschlußteil wird
die Ozonerzeugung über
die Kontaktierung des Kontaktstiftes mit der Anode in Gang gesetzt.
Das erzeugte Ozon sowie sonstige Gase können durch den Anodenraum entweder
direkt, wenn dieser über
Durchlässe
in der Wandung des Gehäuses
mit der Umgebung verbunden ist, in das zu sterilisierende Wasser gelangen
oder aber wenn der Anodenraum geschlossen und mit voll entsalztem
Wasser gefüllt
ist, über
einen entsprechenden Durchlaß aus
dem Anodenraum entweichen in den Gehäuseraum und von hier wiederum über einen
Durchlaß in
der Wandung des Gehäuses
in die Umgebung und damit in das zu sterilisierende Wasser gelangen.
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Bei Verbrauch der Zellenbauteile
kann die Zelle mit Kathode, Elektrolyt und Anode in der Gänze oder
partiell ausgetauscht werden und durch eine neue Zelle ersetzt werden
oder aber die Patrone wird insgesamt ausgetauscht gegen eine neue
Patrone, die mit voll entsalztem Wasser gefüllt ist. Natürlich ist es
auch möglich,
das Einwegteil als Patrone ohne voll entsalztes Wasser auszubilden,
d.h. der Anodenraum ist nicht mit voll entsalztem Wasser gefüllt und direkt über Öffnungen
im Gehäuse
mit der Umgebung verbunden, so daß das erzeugte Ozon und die übrigen Gase
aus dem Anodenraum entweichen können.
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Durch die Ausbildung einer Patrone
mit einem voll entsalzten Wasservorrat im Anodenraum wird es somit
erfindungsgemäß auch möglich, das Gerät in normales
Wasser einzutauchen und dieses zu sterilisieren. Dieses funktioniert
so lange, wie das Wasser in dem Anodenraum/Patrone rein bleibt.
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Bei einem erfindungsgemäßen Gerät, das sich
aus einem hinteren Gehäuseteil
mit Kontaktstift und Stromquelle zusammensetzt und einer Patrone, kann
die Aktivierung beim Zusammenfügen
von Patrone, welche das vordere Gehäuseteil bildet, mittels des
Kontaktstiftes, welcher beim Zusammenfügen die Patrone durchstößt und bis
zur Kontaktierung mit der Anode in die Patrone eingeführt wird,
erfolgen. Es ist aber auch möglich,
die Aktivierung des Gerätes erst
nach dem Zusammenfügen
aller Geräteteile
mittels eines separaten Einschaltvorganges, beispielsweise mittels
des Verschlußstückes, durchzuführen.
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Für
das Betreiben des erfindungsgemäßen Mini-Ozongenerators
zum Sterilisieren kleiner Mengen von Wasser im Bereich von 1 bis
3 l genügen auch
geringe Strommengen im Bereich von 80 mA, welche auch anstatt mit
einer Batterie mittels einer Solarzelle erzeugbar sind. Eine solche
Solarzelle kann beispielsweise auf der Außenseite des Gehäuses angebracht
sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung beispielhaft erläutert.
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Es zeigen
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1 ein
Geräte
zur Ozonerzeugung mit einem rohrförmigen Gehäuse mit Verschlußstück schematisch
im Längsschnitt
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2 den
Einsatz des Gerätes
gem. 1 in einem mit
Wasser gefüllten
Behältnis
zwecks Ozonisierung
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3 schematisch
ein zweiteiliges Gerät
mit einem vorderen Gehäuseteil
als separate Patrone und einem hinteren Gehäuseteil
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4 das
Gerät gemäß 3 in aktivierter zusammengesetzter
Form.
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5 Aufsicht
auf ein Gerät
zur Erzeugung von Ozon in Stabform
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6a Ansicht
des Gehäuses
des Gerätes gemäß 5
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6b Schnitt
AA des Gehäuses
gemäß 6a
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6c Abbildung
des Bajonetts des Gehäuses
gemäß 6a
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7 Ansicht
des Kontaktstiftes des Gerätes
nach 5
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8 Ansicht
der Kathode des Gerätes
nach 5
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9a Ansicht
des Verschlußteils
des Gerätes
gemäß 5
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9b Draufsicht
auf das Verschlußteil
gemäß 9a
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9c Schnitt
BB durch das Verschlußstück gem. 9b
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10 Längsschnitt
CC durch das Gerät
gemäß 5
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11 Aufsicht
auf das vordere Ende des Gehäuses
mit eingesteckter Kathode Das Gerät 1 zur elektrochemischen
Erzeugung von Ozon gemäß 1 weist ein durchgehendes
rohrförmiges
Gehäuse 3 auf,
dessen vorderes Ende 30 und hinteres Ende 31 offen
ist. In dem Gehäuse 3 sind
ausgehend vom vorderen Ende 30 aufeinanderfolgend die Kathode K,
die Feststoffelektrolytmembran F und die Anode A angeordnet,
welche zusammen die elektrochemische Zelle 2 bilden und
ein Einwegteil bilden, das nach Verbrauch auswechselbar ist. Auf
der Anodenseite schließt
sich der Kontaktstift 4 an, welcher beispielsweise aus
Titan gefertigt ist und eine ballige Spitze 40 zum Kontaktieren
der Anode A aufweist. Der Kontaktstift 4 ist an
seinem hinteren Ende 41 in Kontakt mit einer Stromquelle,
beispielsweise Batterien 6.
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Das hintere Ende 31 des
Gehäuses
ist mittels eines Verschlußtstückes 5 verschlossen,
das einerseits zum Verschließen
des Gehäuses 3 am
offenen Ende 31 dient und dem mechanischen Zusammenhalt
der darin befindlichen Teile und des weiteren noch mit einem Schalter 50 ausgestattet
ist, welcher beispielsweise mittels einer Druckfeder 51 mit
der Stromquelle 6 in Verbindung bringbar ist und den Einschaltvorgang
bewirkt und das Gerät
aktiviert. Der Kontaktstift 4 ist des weiteren in dem Gehäuse gehaltert
und geführt
beispielsweise mittels Dichtringen 7a, 7b, die
zugleich gegenüber
der Gehäusewand und
dem Kontaktstift abdichten und damit den Gehäuseinnenraum abteilen. Auf
diese Weise wird zwischen der Anode und der in Richtung hinteres
Ende des Gehäuses
folgenden ersten Dichtung 7b für den Kontaktstift der Anodenraum 9 ausgebildet.
Der Anodenraum 9 steht beispielsweise über einen als Durchbrechung 32 in
der Wandung des Gehäuses ausgebildeten
Durchlaß mit
der Umgebung in Verbindung.
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Das Gerät gemäß 1 kann nun zur Sterilisierung von voll
entsalztem Wasser beispielsweise wie in der 2 schematisch dargestellt, in ein solches
Behältnis 100 mit
seinem vorderen Ende eingetaucht werden, so daß es zumindest mit seinem vorderen
Teil einschließlich
des Anodenraumes und dem den Anodenraum mit der Umgebung verbindenden
Durchlaß 32 in
das voll entsalzte Wasser eintaucht. Das Gerät kann z.B. im Bereich seines über das
Gehäuse 3 seitlich
vorstehenden Verschlußstückes 5 auf
den Hals des Behälters 100 aufgehängt werden.
Beim Eintauchen des Gerätes 1 in
das Wasser des Behältnisses
kann das Wasser über
den Durchlaß 32 in
den Anodenraum 9 eintreten. Das voll entsalzte Wasser des
Behältnisses
kontaktiert mit der Kathode über
das offene Ende 30 des Gerätes. Hier gelangt das Wasser
ebenfalls an die Kathode und es kann H2 aus
dem offenen Ende 30 des Gehäuses, welches den Kathodenraum
bildet, in das umgebende Wasser entweichen. Nach Einschaltung der
Stromquelle über
das Verschlußstück wird
die Zelle aktiviert und die Ozonerzeugung beginnt. Das anodenseitig
entstehende Gasgemisch aus O2 und O3 gelangt durch den Anodenraum 9 und
den Durchlaß 32 in
der Gehäusewand
des Gehäuses 3 in
das zu sterilisierende Wasser des Behältnisses 100.
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Mit einer geringen elektrischen Energiemenge
ist es möglich,
ein Behältnis
mit 1 l voll entsalztem Wasser innerhalb weniger Minuten mittels
des erfindungsgemäßen Gerätes zu entkeimen
und zu sterilisieren, so daß es
dann beispielsweise für
die unmittelbare Zubereitung von Medikamenten in einer Apotheke
oder in einem Labor verwendet werden kann.
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Nach Beendigung der Sterilisation
wird das Gerät 1 wieder
aus dem Behältnis
entfernt und es wird ausgeschaltet. Die Lebensdauer eines solchen handlichen
mittels Batterien betriebenen Ozonerzeugers beträgt wenige Stunden. Wenn die
Zellenbauteile verbraucht sind, kann die Zelle aus Kathode, Feststoftelektrolytmembran
und Anode von dem vorderen Ende des Gehäuses 1 entfernt werden
und durch eine neue Zelle ersetzt werden. Wenn das Gehäuse 3 leer
ist, kann zuerst die Kathode im vorderen Bereich des Gehäuses angebracht
und festgelegt werden, beispielsweise mittels Durchstecken durch
zwei in der Wandung des Gehäuses
einander gegenüberliegend
ausgebildete Schlitze, hierauf kann die Feststoffelektrolytmembran
und hierauf die Anode lose aufgelegt werden. Dann wird der Kontaktstift
mit den Dichtungen in das Gehäuse
eingeführt,
hieran schließen
sich beispielsweise die Batterien und zum Schluß das Verschlußstück 5 mit
Schalter und Druckfeder an.
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In der 3 ist
die Ausbildung des Ozonerzeugers für die Sterilisierung kleiner
Mengen von Wasser in einer zweiteiligen Ausführung dargestellt, wobei das
vordere Gehäuseteil 3a die
Zelle 2 mit Kathode, Elektrolyt, z.B. einer Feststoftelektrolytmembran,
Anode und einen abgeschlossenen Anodenraum 9 umfaßt und das
hintere Gehäuseteil 3b des Gerätes 1 den
Kontaktstift 4, die Stromquelle 6 und das Verschlußstück 5 umfaßt.
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Das vordere Gehäuseteil 3a ist bevorzugt
als Patrone ausgebildet und weist an seinem hinteren, dem hinteren
Gehäuseteil 3b zugewandten
Ende eine wasserdichte Abdeckung 35 auf, durch welche der
Kontaktstift 4 mit seiner Spitze 40 hindurch führbar ist.
Hierfür
kann die Abdeckung 35 beispielsweise mit einer Öffnung 36 versehen
sein, die mittels einer Schutzfolie 11, welche abgezogen
werden kann, abgedeckt ist. Das vordere Gehäuseteil 3a, das als
separates Teil nach Art einer Patrone ausgebildet ist, kann ebenfalls
in der Gehäusewandung
einen Durchlaß aufweisen,
wie bei dem Gerät
nach 1 erläutert, so
daß bei
Eintauchen in ein zu sterilisierendes voll entsalztes Wasser dieses
in den Anodenraum eindringen kann. Es ist aber auch möglich, den
Anodenraum des vorderen Gehäuseteiles 3a komplett wasserdicht
auszubilden und den Anodenraum mit voll entsalztem Wasser zu füllen, wodurch
das vordere Gehäuseteil
eine mit Wasser gefüllte
Patrone darstellt. Um das Entweichen des gebildeten Gasgemisches O2 und O3 bei
der Aktivierung der Zelle zu ermöglichen,
kann die den Anodenraum abdeckende Abdeckung 35, beispielsweise
als Membran, wasserdicht und dampfdiffusionsoffen ausgebildet sein,
so daß das
Gasgemisch hindurchdiffundieren kann, das Wasser jedoch in dem Anodenraum
verbleibt. Es ist auch möglich,
als Abdeckung beispielsweise eine Elastomerfolie einzusetzen, durch
welche der Kontaktstift durchgeführt
wird, wobei entlang des Durchstoßes Gase aus dem Anodenraum
in den angrenzenden Gehäuseraum
des Gehäuses
gelangen und aus diesem Gehäuseraum über einen
Durchlaß in der
Wandung des Gehäuses
in die Umgebung, d.h. das zu behandelnde Wasser.
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Für
die Aktivierung und den Einsatz des zweiteilig aufgebauten Gerätes nach 3 werden, wie in der 4 dargestellt, das hintere
Gehäuseteil 3b und
das als Patrone ausgebildete vordere Gehäuseteil 3a koaxial
miteinander in Verbindung gebracht, beispielsweise über eine
Bajonettverbindung oder Schraubverbindung 12. Hierbei wird
der Kontaktstift 4, welcher in dem hinteren Gehäuseteil 3b mittels zweier
voneinander beabstandeter Dichtringe 7a und 7b abgedichtet
geführt
ist, mit seinem vorderen Ende durch die Abdeckung 35 hindurch
geführt
bis zur Kontaktierung mit der Anode A. Falls die Patrone kein
Wasser enthält,
arbeitet das Gerät
ebenso wie bei 1 und 2 beschrieben. Zweckmäßig ist
dann in der Wandung des Gehäuses
des vorderen Teils 3a ein Durchlaß 32 ausgebildet,
der den Anodenraum 9 mit der Umgebung verbindet. Wenn dann
die Anode verbraucht ist, kann das vordere Gehäuseteil 3a insgesamt
gegen ein neues vorderes Gehäuseteil
einschließlich
Zelle ausgetauscht werden. Für
den Fall, daß in
dem Anodenraum 9 voll entsalztes Wasser enthalten ist,
ist es erforderlich, in dem an die als Membran 35 ausgebildete
Abdeckung zum hinteren Gehäuseteil 3b anschließenden Gehäuseinnenraum 37 den
Durchlaß für das austretende
Gasgemisch in Gestalt eines Durchlasses 32 in der Wandung
des Gehäuses
auszubilden.
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Bei Eintauchen des Gerätes 1 gemäß 4 mit einer Patrone – vorderes
Gehäuseteil 3a,
welches mit voll entsalztem Wasser angefüllt ist – kann dann das erzeugte Ozon/Sauerstoffgemisch über den Durchlaß 32 in
die umgebende zu behandelnde Flüssigkeit,
wie z.B. Wasser, gelangen.
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Die Festlegung der Zelle in dem vorderen Gehäuseteil 3a kann
wie beispielsweise bei dem Gerät
nach 1 erläutert erfolgen.
Es sind aber auch zahlreiche andere Möglichkeiten der Befestigung
der Zelle 2 möglich,
je nach dem, ob die Zelle 2 für die Sterilisation/Entkeimung
von VE-Wasser mit Kathode, Feststoffelektrolytmembran und Anode
ausgerüstet
ist oder ob die Zelle 2 für die Entkeimung zwecks Wasseraufbereitung,
Abwasserbehandlung oder dgl., also nicht VE-Wasser, mit einer Kathode und
einer diamantbeschichteten Anode und einem Elektrolyten, welcher
von dem nicht VE-Wasser gebildet wird, ausgerüstet ist. Beispielsweise kann
die Patrone 3a an ihrem vorderen Ende eine stufenförmig abgesetzte
erweiterte Bohrung aufweisen, in welche die Kathode eingelegt wird
und beispielsweise mittels eines außenseitigen oder umseitigen Schraubringes
oder Bajonettverschlusses festgelegt werden kann.
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Durch eine Patrone mit Wasservorrat
ist es möglich,
daß der
Ozonerzeuger auch z.B. in normales Wasser eingetaucht werden kann,
um dieses zu ozonisieren, zumindest kleine Mengen an Flüssigkeit/Wasser
können
auch so behandelt werden.
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In der 5 ist
ein Gerät 1 zur
Erzeugung von Ozon zwecks Sterilisierung von VE-Wasser in Stabform
in etwa natürlicher
Größe dargestellt,
welches Gerät
beispielsweise mit drei Batterien von 1,5V bestückt werden kann. Das Gerät umfaßt das Gehäuse 3 mit
dem vorderen offenen Ende 32 und dem hinteren offenen Ende 31,
welches durchgängig
rohrförmig
ausgebildet ist. Im Bereich des vorderen Endes ist die Zelle 2 untergebracht,
an welche sich in Richtung auf das hintere Ende der Kontaktstift 4 anschließt. In diesem
Bereich ist die Wandung des Gehäuses 3 mit
Durchbrechungen 32, welche einander gegenüberliegen
als Durchlaß zu
dem Anodenraum 9 ausgebildet. Durch diese Durchlässe 32 können die erzeugten
Gase einschließlich
des Ozon in die Umgebung gelangen. Das zu behandelnde Wasser gelangt über das
offene vordere Ende 32 ebenfalls zur Kathode der Zelle 2.
Das hintere Ende des Gehäuses 3 ist
mit dem Verschlußstück 5 verschlossen,
wobei das Verschlußstück sowohl
dem Verschließen
des Gehäuses,
dem mechanischen Zusammenhalt der darin untergebrachten Teile und
als Schalter zum Ein- und Ausschalten des Gerätes, d.h. zur Herstellung des
Kontaktes und Aktivieren des Gerätes
dient.
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In den 6a, 6b und 6c ist das Gehäuse 3 des Gerätes 1 gemäß 5 dargestellt. Das rohrförmige Gehäuse 3 ist
an seinem vorderen Ende 30 offen und weist zwei einander
gegenüberliegende
spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildete Durchbrechnungen 32 auf,
die vom offenen Ende 30 des Gehäuses 3 ausgehen und
bis in den Anodenraum hineinreichen. Diese Durchbrechungen 32 reichen jedoch
nur halbseitig bis zum offenen Ende 30 des Gehäuses und
enden auf der anderen Halbseite mit Abstand unter Ausbildung eines
Steges 38 von dem offenen Ende 30. Dieser Durchlaß 32 hat
also die Form etwa eines P, wie auch aus der Ansicht der 6a und dem Schnitt AA nach 6b ersichtlich. Am hinteren
offenen Ende 31 des Gehäuses 3 sind die
Führungsbahnen 39a, 39b für einen
Bajonettverschluß für das Verschlußstück 5 eingearbeitet,
wobei diese Führungsbahnen
in der 6c in Abwicklung dargestellt
sind. Die Führungsbahnen 39a, 39b sind mit
zwei Raststellungen I und II versehen, wobei die erste Raststellung
I dem mechanischen Verschluß des
Gehäuses
mittels des Verschlußstückes 5 dient und
die zweite Raststellung II zum Herstellen des Kontaktes und Aktivieren
des Gerätes.
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In der 7 ist
in der Aufsicht die beispielhafte Ausbildung einer Kathode K der
Zelle dargestellt, wobei die Kathode als Verschlußplatte
ausgebildet ist und quer durch die Durchlässe 32 des Gehäuses 3 gemäß 6a und 11 gesteckt wird und auf den dort ausgebildeten
Stegen 38 aufliegt. Wie aus der 11 ersichtlich, weist die Kathode eine
elliptische Form auf, wobei die Endbereiche der langen Achse über das
Gehäuse
vorstehen und in Pfeilrichtung in die Halteposition auf den Stegen 38 des
Gehäuses
gebracht werden können.
Die Kathode ist beispielsweise offenporig aus einem porösen Material
gefertigt, sie weist beispielsweise eine Sinterstruktur auf oder
ist als Mash ausgebildet, sie kann beispielsweise aus Stahl, Kupfer
oder Bronze gefertigt sein.
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Auf die Kathode K wird,
siehe 5, zur Vervollständigung
des Zellherzes in Richtung auf das hintere Ende des Gehäuses die
Feststoffelektrolytmembran und die Anode aufgelegt. Hieran schließt sich
die Anordnung des Kontaktstiftes 4 an, der beispielsweise
in der 8 dargestellt
ist. Der Kontaktstift 4 weist ein ballig geformtes vorderes
Ende 40 auf und an seinem Schaft zwei ringförmige Nuten 41, 42, in
welche Dichtungsringe – O-Ringe – aus einem Elastomer
zum Dichten gegenüber
dem Gehäuse und
zur elektrischen Isolierung eingelegt werden.
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In den 9a bis 9c ist das Verschlußstück 5 in
seinem Aufbau für
die zwei Funktionen, nämlich Stellung
I, mechanischer Zusammenhalt und Verschluß des Gehäuses und Stellung II, Herstellen
des elektrischen Kontaktes beim Einschalten und in entsprechender
Umkehr Bewegung von der Stellung II in die Stellung I – Ausschalten – dargestellt.
Für die
beiden Funktionen gemäß Stellung
I und II ist das Verschlußstück 5 mit
zwei Druckfedern 51, 52 ausgerüstet, wobei die Druckfeder 52 in
der Stellung I den mechanischen Zusammenhalt der sich in
dem Gehäuse des
Gerätes 3 befindenden
Teile und den Verschluß des
Gehäuseendes
bewirkt, wie in 10 ersichtlich.
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Wenn das Verschlußstück dann weiter in die Stellung
II des Bajonetts, siehe 6c,
bewegt wird, erfolgt die Kontaktierung und das Einschalten über die
dann wirksam werdende Feder 51. Die Druckfedern 51, 52 sind
in einer in das Verschlußstück eingesetzten
Buchse 54 mit Stufenbohrungen 55a, 55b gelagert.
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Die Druckfedern 51, 52 sind
hierbei koaxial ineinander angeordnet, wobei die Druckfeder 52 in der äußeren Stufenbohrung 55b sitzt
und die Druckfeder 51 innerhalb der Druckfeder 52 geführt ist
und in der Stufenbohrung 55a aufsitzt und die Buchse 54 mittels
des Befestigungsstiftes 53 in dem Verschlußstück 5 befestigt
ist. Die zwischen der Buchse 54 und dem Verschlußstück 5 belassene
Ringnut 56 dient der Einführung des Gehäuses 3.
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In der 10 ist
der Gesamtaufbau des Gerätes
gemäß 1 im Längsschnitt dargestellt. Die 10 zeigt das Gerät in geschlossener
Position, jedoch noch nicht eingeschaltet. In dem rohrförmigen Gehäuse 3 ist
vom offenen Ende 30 her betrachtet zuerst die Kathode 5 eingelegt,
hierauf die übrigen Teile
der Zelle, wie Feststoffelektrolytmembran und Anode. Hieran schließt sich
der Kontaktstift 5 mit den Dichtungen 7a, 7b an,
durch welche der Kontaktstift sicher im Gehäuse geführt ist und zugleich der Anodenraum
gegenüber
dem übrigen
Gehäuseraum
abgedichtet ist. Danach folgen drei Batterien 6 als Stromquelle
und abschließend
das Verschlußstück 5 mit
den Druckfedern 52, 51 für die Verschlußstellung I
und den mechanischen Zusammenhalt sowie für die Schaltstellung II.
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Bei Einsatz einer Zelle mit diamantbeschichteter
Anode für
die Aufbereitung von Brauchwasser wird für den Elektrolyten zwischen
Anode und Kathode ein Spaltbereich ausgebildet, wobei der Elektrolyt von
dem zu behandelnden Brauchwasser gebildet wird, dessen natürliche Leitfähigkeit
ausgenutzt wird. Der Spalt kann durch Abstandhalter, d.h. durch
eine entsprechende Befestigung der Anode oder Kathode über Abstandhalter
erfolgen oder aber auch beispielsweise durch ein poröses Teil,
welches zwischen Anode und Kathode zwecks Abstandhaltung eingebracht
wird und das genügend
Raum für
den Elektrolyten beläßt. Die
Teile können
beispielsweise lose in das Gehäuse
in eine Stufenbohrung oder mehrere Stufenbohrungen eingelegt und
beispielsweise mittels eines Verschlußringes befestigt werden.
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Für
Anwendungen, in denen das zu behandelnde Wasser sich in einem größeren Gefäß, wie Flasche
oder Behältnis
befindet, kann es zweckmäßig sein,
das stabförmige
Gerät zu
verlängern,
so daß es
nicht an der Öffnung
des Behältnisses
angehängt
werden muß,
sondern in das Behältnis
eingestellt werden kann. Hierfür
kann beispielsweise das rohrförmige
Gehäuse
sehr viel länger
ausgebildet werden und zwischen Batterie und Verschlußstück noch
ein Platzhalter angeordnet werden. Es ist auch möglich, den Kontaktstift länger auszubilden,
um auf diese Weise ein längeres
Gerät zu
erhalten.