Flat assembly for generating ozone from air comprises a dielectric support sandwiched between two electrode arrays of different geometry, with only the rear array supplied with voltage

Stand der Technik

[0001] Seit etwa 100 Jahren ist die Produktion von Ozon durch Herstellung eines Plasmas nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung bekannt.
Oft wird die sogenannte Siemens-Röhre eingesetzt.
Es wird in der Anwendung von technisch hergestelltem Ozon angestrebt, oxidierbare Luftbestandteile und patogene Keime durch Behandlung der Luft mit Sauerstoff-Ionen und mit Ozon (O3 und O1) zu zerstören.

[0002] Die seit 1857 bekannte Siemens-Röhre ist wie in Fig.1 aufgebaut:
Ein röhrenförmiger Glaskörper 2 - vorzugsweise aus Borosilikat oder aus Quarzglas - ist innen mit einer oft netzförmigen Elektrode 3 ausgekleidet. Die aus leitfähigem Material bestehende Elektrode liegt eng und möglichst ohne Luftspalt an der inneren Glasoberfläche der Röhre an. Die äussere Hülle der Röhre bildet ein ebenfalls enganliegendes Netz aus z.B. Stahlgewebe, welches die äussere Elektrode 1 darstellt.
Wird eine hohe Wechselspannung von z.B. 3-6 KV an die innere und die äussere Elektrode angelegt, kommt es zu elektrischen Entladungserscheinungen.
Dabei wird molekularer Luftsauerstoff (O2) dissoziiert und es werden Ionen und Ozon (O1, O3) erzeugt.

[0003] Aus der europ. Patentanmeldung PCT/EP 97/06 925 ist ein nach dem gleichen physikalischen Prinzip aufgebautes flaches Modul bekannt, bei dem eine Elektrode zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen ist. Ein Metall-Gitter bzw. Metallnetz bedeckt die äusseren, der Luft zugänglichen Glasflächen und bildet die äussere Elektrode.
Die hohe Wechselspannung wird an die äussere und innere Elektrode angeschlossen, wobei erfindungsgemäss das Erdpotential stets aussen ist bzw. an jener Seite, welche berührt werden könnte. Nachteilig bei dieser Konstruktion als auch bei der bekannten Siemens-Röhre ist der relativ grosse und kostenintensive Aufbau, weil die äussere und die innere Elektrode fest und ohne Abstände auf Glasdielektrikum aufliegen muss.
Eine industrielle, kostengünstige Fertigung dieser Module ist schwierig oder unmöglich.
Ausserdem lässt die Wirksamkeit nach, wenn die Oberfläche der Gläser und die Strukturen zwischen den äusseren Drahtnetzen verschmutzt sind. Der Wirkungsgrad dieser tradierten Technik in Bezug auf lufttechnische Anwendungen erschien ganz allgemein verbesserungsfähig, wenn der physikalische Wirkungsmechanismus betrachtet wird.
Die Funktion der dielektrisch behinderten elektrischen Entladung lässt sich wie folgt erklären:
Zwischen den an eine hohe Wechselspannung (z.B. 5 KV, 30 kHz) angeschlossenen Elektroden befindet sich ein Dielektrikum, zumeist aus Glas.
Die allgemeine Funktion der beiden dielektrischen Barrieren besteht darin, die Bewegung der Elektronen zur Elektrode zu behindern und schliesslich zu unterbrechen.
Die Elektronen werden nämlich in ihrer Bewegung zur Anode durch das Dielektrikum nicht nur aufgehalten, sondern aufgestaut, wodurch sich ein Gegenfeld zu dem den Elektronenstrom treibenden äusseren Feld aufbaut, das seinerseits so lange anwächst, bis sich das äussere Feld und das Gegenfeld gerade kompensieren und der Elektronenstrom entsprechenden Parameter lassen sich extrem schnelle, vor allem aber auch zuverlässige Entladungsunterbrechungen realisieren. Diese sind in den dielektrisch behinderten Entladungen von essentieller Bedeutung. Sie tragen wesentlich dazu bei, dass sich das Entladungsplasma nicht sprunghaft in Richtung thermisches Gleichgewicht entwickelt. Das Gegenteil soll nämlich erreicht werden: Es sollen möglichst viele schnelle Elektronen erzeugt werden, die ihre kinetische Energie durch nichtelastische Stösse gezielt auf die atomaren Zustände übertragen, die am effektivsten zur gewünschten Plasma- und Ozonerzeugung beitragen, wobei der Energietransfer durch Elektronenstösse in Verlustkanälen so gering wie möglich gehalten werden soll. Das resultierende Erscheinungsbild der Entladungen bei für Anwendungsfälle relevanten Leistungsdichten ist geprägt durch das Entstehen von Einzelentladungen, den sogenannten Filamenten. Diese Filamente treten kurzzeitig und in grosser Anzahl auf. Sie sind normalerweise über die gesamte Elektrodenfläche verteilt und besitzen sowohl lokal als auch zeitlich einen stochastischen Charakter. Physikalisch lässt sich das Phänomen so beschreiben: Mit zunehmender äusserer Spannung liegen irgendwo im Entladungsbereich zu nicht vorhersehbaren Zeitpunkten Bedingungen vor, die zu lokal begrenzten Entladungen führen. Durch die dielektrische Behinderung der Elektroden verlöschen diese Entladungen kurz nach ihrem Entstehen aufgrund der lokalen Gegenfelder (Spiegelladungen). Weitere, nachfolgende Einzelentladungen entstehen und verlöschen nach dem gleichen Prinzip. Betrachtet man die an äusseren Drahtgittern sich befindenden Filamente, fällt auf, dass diese entsprechend Fig. 2 relativ klein sind:
Das Dielektrikum 2 ist von der rückwärtigen Elektrode 3 und der äusseren, als Drahtgitter 1 ausgebildeten Elektrode eingeschlossen. Bei der Entladung lassen sich die leuchtenden Filamente 4 in direkter Umgebung der Drähte beobachten, die dem Dielektrikum zustreben. Die Länge der Filamente ist nur wenige 1/10-mm lang. Der Nachteil der mit Drahtnetzen arbeitenden tradierten Technik ist ferner, dass die Drähte mit einem Mindestabstand (die Maschenweite) zueinander angeordnet werden müssen. Werden die Maschen zu klein, behindern sich die Ladungen gegenseitig, und überdies können Ozon und Sauerstoffionen nicht frei in die Umgebungsluft abtransportiert werden. Ideal wäre eine Struktur, welche praktisch flächig Filamente hervorbringen würde, welche dann in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft stehen würden. Wünschenswert wäre dabei weiter, dass das elektrische Wechselfeld in den Raum hineinragen würde. Dies, weil bekannt ist, dass in einem schnellen elektrischen Wechselfeld insbesondere polare Moleküle dissoziiert werden.

[0004] Bekannt - etwa aus der Deutschen Erstanmeldung P19 931 366 A1 - sind flache Baugruppen nach der prinzipiellen Funktion der dielektrisch behinderten Entladung, bei denen ein flacher, keramischer Träger auf der Rückseite (backplane) eine durchgehende elektrisch leitfähige Beschichtung trägt und auf der Vorderseite schmale Elektroden trägt, welche durch eine Abdeckung aus Glas abgedeckt ist. Die Funktion beruht darauf, dass bei der kapazitiven Umladung hohe elektrische Felder an den Kanten der direkt auf dem Substrat befindlichen Pt-Elektrode bilden. Diese Felder regen Elektronen der äusseren, mit z.B. Barium-Oxid dotierten Glasschicht an. Die aussen zu beobachtenden Einzelladungen sind keine Entladungen - wie bei der Siemensröhre - zwischen backplane und Elektrode an der Vorderseite, sondern sind Anregungszustände, welche vom an den Kanten bei Umladungsprozessen entstehenden elektrischen Feld ausgehen.

[0005] Der prinzipielle Aufbau des Standes der Technik ist in Fig. 3 beschrieben. Dabei trägt das Trägermaterial 1 aus Keramik oder einem vergleichbaren dielektrischen Material auf der Rückseite eine elektrisch leitende Schicht 2, welche als homogene und dünne Deckschicht ausgeführt werden kann oder zur Minimierung der elektrischen Kapazität als netzförmige Elektrode ausgeführt sein kann. Auf der Vorderseite befinden sich linienförmige, dünne Elektroden 3, welche in verschiedenen Geometrien ausgeführt werden können. Die auf der Vorderseite befindlichen Elektroden werden mit einer dünnen und elektrisch isolierenden Schicht 4 abgedeckt, welche mit Materialien "verunreinigt" ist, welches eine niedrige Elektronenaustrittsarbeit hat. In diesem Zusammenhang haben sich mit Metalloxiden wie Bariumoxid legierte Gläser bewährt. Die Rückseite wird zur Vermeidung von unkontrollierten Entladungen mit einer isolierenden Masse 5 abgedeckt. In Frage kommt z.B. reines Glas mit guten Isolatoreigenschaften. Dabei ist: Die Kontaktierungen 6 zu den Elektroden 2 und 3 dienen zum Verbinden der Elektroden mit einer Hochspannungsquelle 7.

[0006] Nachteilig bei allen bekannten flachen Ozonerzeugern ist, dass die auf der Vor- und auf der Rückseite bestehenden Elektroden jeweils kontaktiert werden müssen. Die Kontaktierung auf der Vorderseite, also jener Seite, auf der Ozon erzeugt wird, hat systematische Nachteile, wie etwa die Neigung der Lötstellen, unter Ozoneinfluss zu versintern sowie die damit notwendige Kabelführung zu der Hochspannungsquelle. Weil die Vorderseite verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt werden muss, droht hier auch Gefahr von Kurzschlüssen bzw. Oberflächendurchschlägen.

[0007] Die hier vorgestellte Erfindung nutzt die bekannten physikalischen Prinzipien und vermeidet die Nachteile des Standes der Technik.

[0008] Das physikalische und vorteilhafte erfinderische Prinzip ist in Fig. 4 beschrieben. Die erfindungsgemässe Neuheit gegenüber dem Stand der Technik (siehe Fig. 3) wird in Fig. 4 deutlich. Die rückwärtige Elektrode 2 besteht nicht aus einer durchgehenden Schicht, sondern aus zwei Elektroden 2a und 2b, welche jeweils mit der Elektrode 3 auf der Vorderseite einen elektrischen Kondensator bilden (siehe als elektrisches Ersatzschaltbild die Fig. 5 und die Fig. 6). Es kann davon gesprochen werden, dass erfindungsgemäss zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet sind. Die Funktion ist wie folgt: Bei Anlegen einer Spannung an die beiden rückwärtigen Elektroden 2a, 2b wird ein kapazitiver Stromkreis gekoppelt über die Elektrode auf der vorderen Seite. Infolge der angelegten hohen Wechselspannung bilden sich an den Kanten der oberen Elektrode 3 hohe elektrische Felder aus. Diese elektrischen Felder teilen sich den in der isolierenden Glasschicht 4 befindlichen Metalloxiden mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit mit und bringen diese in einen Zustand erhöhter Anregung. Insofern wird das an den Kanten befindliche elektrische Feld praktisch verstärkt und führt dazu, dass auf der luftseitigen Oberfläche der isolierenden Glasschicht 4 ein sehr hohes elektrisches Feld auf die Luftmoleküle einwirkt. Es kommt zu lokalen Entladungen, welche sich in einem kurzzeitigen kalten Plasma manifestiert. Im Plasma werden Sauerstoffmoleküle (O2) dissoziiert. Die unter Einwirkung der im Plasma vorhandenen energetischen Prozesse entstehenden Sauerstoffatome (O1) rekombinieren sich zu dem dreiatomigen Sauerstoff (O3 = Ozon). Um aus zweiatomigem Sauerstoff (O2) dreiatomigen Sauerstoff (O3) zu erzeugen, muss durch Energiezufuhr der stabile zweiatomige Sauerstoff zerstört werden, damit sich aus dem monoatomaren Sauerstoff O1 im Anschluss O3 rekombinieren kann.

[0009] Dieser Prozess bedarf der Energiezufuhr.
Zur Erzeugung von 1g reinem Ozon ist ein Energieäquivalent von etwa 1,7 Wh notwendig.
Zur Vermeidung dielektrischer Verluste und zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemässen Anordnung wird in der bevorzugten Ausführung dafür Sorge getragen, die elektrische Kapazität der Anordnung so klein wie eben möglich zu halten.
Dies erfolgt dadurch, dass die linienförmigen Elektroden auf der Oberseite so schmal wie möglich ausgeführt sind, um ein möglichst hohes Verhältnis zwischen Fläche der Elektroden und deren Kantenlänge zu erzeugen. Vorteilhaft ist eine Struktur wie in Fig. 7 beschrieben, Dabei bilden die Strukturen der Elektrode 3 auf der Oberseite eine Art Gitter.
Rechts und links der das Gitter bildenden Linien bilden sich Entladungsstrukturen einer bestimmten Breite, - üblicherweise ca. +/-1 mm - aus.
Daher ist der Mindestabstand der das Gitter bildenden Linien inklusive eines gewissen Sicherheitsabstandes ca. 3 mm. Parallel zu den gekreuzten Linien des Gitters bildet sich auf der Oberfläche der Abdeckschicht die gewünschte Plasmabildung.
Bei sinnvoller Dimensionierung im Sinne der Lehre dieser Erfindung bildet sich auf der Oberfläche der erfindungsgemässen Baugruppe ein weitgehend homogenes und aktiv leuchtendes Plasma aus elektrischen Einzelentladungen und ist im Ergebnis eine Maximierung der Luftmoleküle dissoziierenden elektrischen Entladungsaktivität.

[0010] In Fig. 8 ist eine Geometrie beschrieben, bei welcher vorteilhaft die in der Nähe der Kante des Trägermoduls 1 bestehende elektrische Spannung relativ niedrig ist. Dabei wird ein Kondensator zwischen einer parallel zu den äusseren Kanten des Moduls umlaufende Elektrode sowohl auf der hinteren (2a) und auf der vorderen (3a) Seite des Trägers gebildet. Die hintere Seite wird elektrisch an die Hochspannungsquelle 7 angeschlossen, jedoch gleichzeitig geerdet. Von dieser umlaufenden Elektrode 3a wird eine elektrische Verbindung zu einer bevorzugt gitterförmigen Arbeitselektrode 3b hergestellt, welche von der umlaufenden Elektrode eingerahmt wird. Das Verhältnis zwischen Flächen der beiden Teile 3a und 3b der oberen Elektrode ist maximal. Der Arbeitselektrode 3b gegenüber liegt auf der Rückseite eine flächige zweite Elektrode 2b, welche an dem anderen Pol der Hochspannungsquelle 7 angeschlossen ist. Vorteilhaft ist, dass in der Nähe der Kanten keine gefährliche Hochspannung sich befindet und dass die Fähigkeit zur Abstrahlung elektromagnetischer Störungen durch die Wahl dieser erfindungsgemässen Geometrie minimiert ist, ohne dass dies die Funktion der Anordnung beeinflusst.

[0011] Es sind weitere Variationen der erfindungsgemässen Lehre möglich. Allen Variationen ist die hier offenbarte erfindungsgemässe Lehre zu eigen, dass die Zuführung elektrischer Energie nur von einer Seite der Baugruppe aus erfolgt und dass die mindestens zwei Elektroden auf der Rückseite der Baugruppe und die mindestens eine Elektrodenanordnung auf der Vorderseite elektrisch wie in Reihe geschaltete Kondensatoren wirken.