DE2850116A1 - Elektrostatische aufladungs- und zerstaeubungsvorrichtung und verfahren zur elektrostatischen aufladung eines nicht leitenden mediums - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine elektrostatische Aufladungsund Zerstäubungsvorrichtung und ein Verfahren zur Bildung elektrostatisch aufgeladener Tröpfchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 1 mm, wobei als fließendes Medium eine Flüssigkeit mit einer Leitfähigkeit von weniger als 10 S/m,

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vorzugsweise von weniger als 10 S/m, ganz besonders bevorzugt von weniger als 10 S/m eingesetzt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Zelle, in der eine Kammer angeordnet ist, ein Entladungssprühmittel, das in Verbindung mit der Zelle, steht, die Flüssigkeit in der Kammer, die zu dem Entladungssprühmittel transportiert und zu Tröpfchen versprüht wird, sowie eine Einrichtung, die für einen ausreichenden Durchgang einer freien Überschußladung durch die in der Kammer befindlichen Flüssigkeit vorgesehen ist, um eine freie Überschußladung in der Flüssigkeit zu erzeugen.

Die elektrostatische Aufladungsvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt im allgemeinen eine Zelle, in der sich eine Kammer befindet, mit einem Entladungssprühmittel, das an dem einen Ende der Zelle angeordnet ist, wobei sich die zu versprühende Flüssigkeit innerhalb der Kammer befindet und aus dem Entladungssprühmittel in Form aufgeladener Teilchen emittiert wird. Man läßt eine Ladung, die groß genug ist, um eine freie Überschuß-

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ladung in der Flüssigkeit zu erzeugen, durch die Flüssigkeit innerhalb der Kammer hindurchgehen. Die Konvektionsströmungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Kammer ist gleich oder verschieden von derjenigen der mobilitätsgesteuerten Stromdurchgangsgeschwindigkext innerhalb der Kammer, wodurch man eine wirksame Überführung der freien Überschußladung auf das Entladungssprühmittel ermöglicht.

Eine geeignete Stromquelle zur Erzeugung der Ladungen innerhalb der Kammer kann eine Gleichspannungsquelle, eine Wechselspannungsquelle, eine Stoßspannungsquelle oder Mischungen solcher Spannungsquellen von 100 V bis 100 kV, vorzugsweise von 100 V bis 50 kV Gleichspannung, besonders bevorzugt 100 V bis 30 kV Gleichspannung sein. Die Ladung, mit der die Flüssigkeit innerhalb der Zelle induziert wird, kann kollinear oder unter einem Durchdringungswinkel zur Konvektionsströmungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Kammer gerichtet sein, wobei die Konvektionsströmungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit geringer, gleich oder größer sein kann als die mobilitätsgesteuerte Stromdurchgangsgeschwindigkext der Ladung innerhalb der Zelle. Die induzierte elektrische Ladung in der Flüssigkeit innerhalb der Zelle muß ausreichend groß sein, um eine freie Überschußladung in der Flüssigkeit innerhalb der Kammer zu erzeugen, wobei die Ladung negativ oder positiv sein kann.

Die aus dem Entladungssprühmittel austretenden Tröpfchen können nach außen hin beschleunigt werden ohne wesentliche Aufstauung, oder sie können aus dem Entladungssprühmittel in einer wirbeiförmigen oder planaren Struktur emittiert werden. Die Bildung der aufgeladenen Tröpfchen kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Sprühentladungsmittel vor sich gehen.

Zur Regelung der Viskosität der Flüssigkeit im Inneren der Kammer können Heiz- oder Kühlhilfsmittel vorgesehen werden, wobei die Heiz- oder Kühlhilfsmittel aus einer ummantelten Zelle bestehen können, in der ein aufgeheiztes Öl oder eine Kühlflüssigkeit untergebracht ist. Alternativ kann man als Heizhilfsmittel auch Konvektionsheißluft auf die Zelle einwirken lassen oder elektrische Heizelemente in die Wände der Zelle einbetten oder innerhalb der Flüssigkeit in der Kammer anbringen. Die Regelung der Viskosität der Flüssigkeit innerhalb der Kammer erlaubt es, eine große Anzahl von Stoffen ebenso wie Mittel zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten einzusetzen. Auch Lösungen von nicht leitenden Flüssigkeiten mit darin dispergierten Feststoffen oder Gasen können ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden. Pumphilfsmittel für Flüssigkeiten können in Serie geschaltet mit der Zelle verbunden werden, um einen Überdruck auf die Flüssigkeit innerhalb der Zelle auszuüben und dadurch ein Mittel zur Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit vorzusehen.

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Ein Vorratsbehälter kann in Serie geschaltet mit der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung verbunden werden mit Hilfe einer Leitung, in der ein Dosierungsventil angeordnet ist.

Eine Reinigungslösung, beispielsweise aromatische, cycloaliphatische, aliphatische, halogenaromatische oder halogenaliphatische Kohlenwasserstoffe, kann innerhalb des Vorratsbehälters vorgesehen und gelagert werden für die nachfolgende Zerstäubung zu einem Spray von feinen Tröpfchen, die zur Reinigung der Oberfläche eines Gegenstandes dienen können, der sich außerhalb der elektrischen Zerstäubungsvorrichtung befindet. Beispielsweise können die Flächen einer großtechnischen Maschine oder eines Motorblockes, die mit Öl oder Fett überzogen sind, mit Hilfe dieser Vorrichtung leicht gereinigt werden.

Auch landwirtschaftlich nutzbare Flüssigkeiten wie Insektizide oder Nebelschutzmittel können in dem Vorratsbehälter untergebracht und gelagert werden, um anschließend zu einem Spray feiner Tröpfchen versprüht zu werden, der auf die Vegetation oder den Erdboden zur Bekämpfung von Insekten gerichtet werden kann. Die Vorrichtung kann leicht auf ein Bodenfahrzeug oder auch an ein Luftfahrzeug montiert werden für Zerstäubungsoperationen aus der Luft.

So lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung auch leicht Schmieröle in den Vorratsbehälter

unterbringen, lagern und anschließend zu einem Spray aus feinen Tröpfchen versprühen und auf diese Weise einfach zur Ölnebelschmierung von Lagern und Getrieben großer industrieller Anlagen verwenden.

Auch Lösungen von Kunststoffen in einer nicht leitenden Flüssigkeit oder eine Ölfarbe können unschwer in den Vorratsbehälter eingefüllt, aufbewahrt und später mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung auf die Oberfläche von Gegenständen versprüht werden, die sich außerhalb der Sprühentladungsmittel befinden, wobei sich auf der Oberfläche des betreffenden Gegenstandes ein Überzug bildet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch eingesetzt werden, um freie Überschußladungen in geschmolzenes Kunststoffglas oder Keramik zu injizieren. Wenn der Kunststoff rasch abgekühlt und verfestigt wird, erhält man ein stark aufgeladenes Kunststoffprodukt.

Die Zelle der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung kann mit einem konventionellen Kunststoffextruder in Reihe geschaltet verbunden werden. Im Extruder wird ein plastisches Material unter der Einwirkung von Wärme und Druck verflüssigt, in die Kammer der Zerstäubungsvorrichtung überführt und anschließend zu einem Spray geladener Tröpfchen versprüht, wobei die Plastik-

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teilchen auf die Oberfläche eines sich außerhalb der Zelle befindlichen Gegenstandes niederschlagen und einen Überzug auf der Oberfläche des Gegenstandes bilden können. Zu den typischen Kunststoffen, die hierfür geeignet sind, gehören z.B. Polyethylen und seine Copolymere, Polypropylen, Polystyrol, Nylon, Polyvinylchlorid, Celluloseacetat sowie jedes andere extrudierbare plastische Material. Auch auf diese Weise extrudierte und erhitzte Kohle kann nach dieser Methode versprüht werden, wodurch man ein Mittel zur direkten Verbrennung von Kohle erhält.

Der Sprühentladungskopf der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung kann innerhalb einer Flüssigkeit, die sich in einem außerhalb der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung angeordneten Behälter befindet, untergebracht werden, wobei sich die aufgeladenen Tröpfchen innerhalb der Flüssigkeit bilden. Wenn sich ein im Hinblick auf die aufgeladenen Tröpfchen entgegengesetzt aufgeladener Metallgegenstand innerhalb der Flüssigkeit befindet, dann wandern die geladenen Tröpfchen durch die Flüssigkeit zum Metallgegenstand und bilden auf dessen Oberfläche einen Überzug. Eine ideale Anwendungsmöglichkeit ergibt sich hier für den Farbauftrag auf Metallgegenständen, z.B. bei Automobilen, wobei die geladenen Tröpfchen aus Farbe bestehen.

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Zwei elektrostatische Zerstäubungsvorrichtungen können jeweils in Reihe geschaltet mit einem Mischkessel verbunden werden, wobei die erste Vorrichtung positiv geladene Tröpfchen und die zweite Vorrichtung negativ geladene Teilchen in den Mischkessel injizieren kann, wodurch man eine innige Vermischung und Neutralisierung der positiv und negativ geladenen Tröpfchen innerhalb des Mischkessels zuläßt. Die Mischung der negativ und positiv geladenen Teilchen kann entweder in Luft oder in einer Flüssigkeit innerhalb des Mischkessels vorgenommen werden.

Die aufgeladenen Flüssigkeitströpfchen aus der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung können leicht auf ein entgegengesetzt geladenes Pulver gesprüht werden, das sich außerhalb der Vorrichtung befindet, wobei das Pulver unter Rühren in einem Behälter oder in einem Fließbett angeordnet sein kann. Die aufgeladenen Tröpfchen werden auf die Oberfläche des Pulvers aufgebracht, wobei eine Neutralisierung der Ladungen eintritt. Ein typisches Beispiel für eine Anwendung dieses Verfahrens ist das Überziehen eines Parfüms auf ein Talkpulver.

Die aufgeladenen Flüssigkeitströpfchen aus der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung können leicht auf die äußere Oberfläche eines Gegenstandes aufgesprüht werden, der entgegengesetzt aufgeladen ist, wobei man eine Entladung durch Neutralisierung der aufgeladenen äußeren Fläche des Gegenstandes bewirkt. Ein

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typisches Beispiel für eine Anwendung dieser Art ist die Besprühung eines großen Industriebehälters, der elektrostatisch aufgeladen wurde. Alternativ können die aufgeladenen Tröpfchen auch in eine Flüssigkeit innerhalb des Behälter injiziert werden, wo sie anschließend die innere Fläche des aufgeladenen Behälters entladen.

Die elektrostatische Zerstäubungsvorrichtung kann auch in Reihe geschaltet mit einem Pumpenhilfsmittel, das sich in einem Handgebläsezerstäuber befindet, verbunden werden, und ein Vorratsbehälter für die Flüssigkeit ist abnehmbar an dem Handgebläsezerstäuber befestigt und mit der Pumpeneinrichtung für die Flüssigkeit in Reihe geschaltet. Ein magnetodynamischer Induktor ist innerhalb des Handgebläsezerstäubers angeordnet, wobei dieser Induktor die elektrische Ladung erzeugt, die in die Flüssigkeit innerhalb der Zelle induziert werden soll. Ein Aktivierungsmittel, wie beispielsweise ein Triggeraggregat, ist innerhalb des Handgebläsezerstäubers vorgesehen zur gleichzeitigen Aktivierung des Induktors und der Flüssigkeitspumpe. Dieses Aggregat kann leicht als Ersatz für Aerosolkanister eingesetzt werden.

Die Schwierigkeiten, die bei einer wirksamen Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen auftreten, können leicht überwunden werden, wenn die Größe der gebildeten Tröpfchen herabgesetzt wird, wodurch man ein Ansteigen der wirksamen Oberfläche für

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die Verbrennung und in der Folge eine verbesserte Wirksamkeit beim Wärmeübergang erreicht. Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 1 ,um bis 1 mm, vorzugsweise von 2 bis 50/Um lassen die Bildung eines Brennstoffsprays in der Verbrennungskammer zu, der einheitlich dispergiert ist. Die elektrostatische Zerstäubungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann leicht so angepaßt v/erden, daß sie einen feinen Spray aus Kohlenwasserstoffbrennstoff liefert, der die oben genannten Bedingungen erfüllt und in der Verbrennungskammer eines Haushalts- oder Industrieölbrenners eingesetzt werden kann. Außerdem kann die elektrostatische Zerstäubungsvorrichtung mit Benzin beschickt werden, das anschließend zur indirekten Injektion in einen Verbrennungsmotor durch einen Vergaser oder direkt in den Kopf eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Otto-, Dieseloder Brayton-Motors, eingesprüht wird. Diese öle und Benzine haben außerordentlich niedrige Leitfähigkeiten im Bereich von 10 bis 10 S/m, vorzugsweise von 10 bis 10 S/m, besonders bevorzugt von 10 bis 10 S/m. Bisher war die Fähigkeit zum Zerstäuben dieser Brennstoffe in elektrostatisch aufgeladene Teilchen begrenzt, da es bislang nicht möglich gewesen war, einen Überschuß an freier Ladung innerhalb der Flüssigkeit wirksam hervorzubringen, wodurch die Erzeugung von Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 50 ,um mit wirtschaftlich annehmbaren Strömungsgeschwindigkeiten verhindert wurde.

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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich"¹ nungen weiter erläutert.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt der in Figur 1 dargestellten elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung.

Figur 3 stellt eine perspektivische Ansicht der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung dar, die mit einem Vorratsbehälter für das fließende Medium in Reihe geschaltet ist.

Figur 4 zeigt einen perspektivischen Teilschnitt der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung in Verbindung mit einer Brennervorrichtung.

Figur 5 zeigt eine Querschnitts-¹ und Seitenansicht der elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung, die in Reihe geschaltet ist mit einer Vorrichtung zur Handbetätigung für das flüssige Medium.

Figur 6 zeigt einen teilweisen Seitenschnitt einer anderen Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung.

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Figur 7 stellt eine Querschnitt-Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung dar.

Figuren stellen Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise ¹ der erfindungsgemäßen elektrostatischen Aufladungsund Zerstäubungsvorrichtung dar.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung 10, die aus einem zylinderförmigen, nicht leitenden Gehäuse (oder einer Zelle) 12, z.B. aus Lucite, mit einer Grundplatte 14, einer sich aufwärts erstreckenden zylindrischen Seitenwand 16, durch die eine Gewindebohrung 21 geht, einem Oberteil 22, durch den eine Gewindebohrung 20 und eine Gewindebohrung 24 gehen, sowie einer in dem Gehäuse befindlichen Kammer 26, wobei die Grundplatte 14 eine zentrale Entladungsöffnung 28 enthält, die einen Teil des Entladungssprühmittels darstellt, besteht. Das Gewindeende 30 einer ersten zylindrischen Versorgungsleitung 32 für das flüssige Medium wird an der der Entladungsöffnung 28 gegenüberliegenden Seite über ein Gewinde in der Bohrung 24 aufgenommen, aus der die Leitung 32 sich geradlinig nach außen aus dem Oberteil 22 des Gehäuses 12 erstreckt. Das andere Gewindeende 34 der Leitung 32 ist geeignet für eine Verbindung mit einem (im Bild nicht gezeigten) Vorratsbehälter für das

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flüssige Medium, wobei die Flüssigkeit durch Leitung 32 in die Kammer 26 fließt und wobei die Flüssigkeit eine Leitfähigkeit

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von weniger als etwa 10 S/m, vorzugsweise weniger als etwa 14 S/m und ganz besonders bevorzugt weniger als 10 S/m

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aufweist. Die Flüssigkeit kann z.B. aus einem Heizöl der Gütestufe Nr. 2 bestehen.

Ein erstes nicht leitendes zylindrisches Rohr 42 mit einem Außengewinde bei 18 und einer kontinuierlichen Bohrung ist über eineGewindebohrung 20 angebracht, wobei sich das eine Ende 46 des Rohres 42 nach außen durch die Wand des Oberteils aus dem Gehäuse 12 und das andere Ende 48 des Rohres 42 sich nach innen in den oberen Teil der Kammer 26 erstreckt, wobei es auf eine vorherbestimmte Länge begrenzt ist. Eine erste Elektrode 38 oder eine Reihe von ersten Elektroden 38 sind in Parallel- oder Reihenparallelschaltungen mit dem Ende 48 des Rohres 42 durch geeignete Mittel, z.B. ein Klebemittel, verbunden, wobei das Ende 48 des Rohres 42 auch in die Elektrode 38 eingebettet sein kann. Die Elektrode 38 weist eine borstenartige Oberfläche 50 auf, die aus einer Vielzahl von Stiften 51 gebildet wird, die im wesentlichen parallel im Inneren der Kammer 26 ausgerichtet sind. Unter einer borstenartigen Oberfläche wird hierbei eine solche Fläche verstanden, die eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen, ähnlichen, fortlaufenden Stiften aufweist, die eine Querabmessung in der Größenordnung von 10,um, vorzugsweise von 1 ,um, besonders bevorzugt von 0,1 ,um oder weniger in einer Grundmassen aus nicht leitendem oder halbleitendem Material haben. Jeder Stift ist in einem regulären oder annähernd regulären Muster angeordnet mit einer

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mittleren Entfernung in der Größenordnung von etwa 35 ,um oder weniger. Beispiel für eine geeignete Elektrode 38, aber nicht darauf beschränkt, ist eine eutektische Mischung aus Uranoxid und Wolframfasern, wie sie im Journal of Crystal Growth 13/14, 765, 771 (1972) von A.T. Chapman und R.J. Geides beschrieben wird.

Die erste Elektrode 38 ist mit einer Hochspannungsquelle 40, die sich außerhalb des Gehäuses 12 befindet, über eine elektrische Anschlußleitung 52, die sich durch die Bohrung 44 des Rohres 42 erstreckt, in Reihe geschaltet. Die Hochspannungsquelle 40 ist über eine Erdleitung 76 mit dem Erdboden 78 außerhalb der Vorrichtung 10 verbunden. Ein zweites nicht leitendes, z.B. aus Lucite bestehendes, zylindrisches Rohr 56 greift durch die kontinuierliche Bohrung 58 hindurch über ein Gewinde in die Gewindeöffnung 21 ein, wobei sich das eine Ende 60 des Rohres 56 nach außen aus dem Gehäuse 12 heraus und das andere Ende 62 des Rohres 56 sich nach innen in den unteren Teil der Kammer 26 erstrecken. Eine flüssigkeitsdichte Abdichtung wird zwischen dem Rohr 56 und der Seitenwand 16 durch Klebemittel oder andere Abdichtungsmittel 54 gebildet. Eine zweite Elektrode 64 oder eine Reihe von zweiten Elektroden 6 4 sind in Parallel- oder in Reihenparallelschaltungen mit dem Ende 62 des Rohres 56 durch geeignete Mittel, z.B. Klebemittel, verbunden. Das Ende 62 des Rohres 56 kann auch in die Elektrode

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64 eingebettet sein. Die zweite Elektrode 64 besteht aus einer ebenen Scheibe 66, die wenigstens eine zentrale, longitudinal auf die Achse der Scheibe 66 ausgerichtete Öffnung 6 8 und gegebenenfalls eine Vielzahl von anderen longitudinal ausgerichteten Öffnungen 70 in vorbestimmten-Entfernungen von der zentralen Öffnung 68 aufweist. Alternativ kann eine Vielzahl von longitudinal ausgerichteten Öffnungen in symmetrischer Anordnung im Hinblick auf die Mittelachse ohne eine Öffnung in der Mittelachse verwendet werden. Die Öffnungen können auch schräg zur Mittelachse angebracht sein. Die zweite Elektrode 64 ist quer innerhalb der Kammer 26 unter und im Abstand von der ersten Elektrode 38 angeordnet. Die Elektrode 38 kann in Längsrichtung auf- und abwärts bewegt werden relativ zur Scheibe 66, wodurch der Zwischenraum zwischen den Elektroden 38 und 64 verkleinert oder vergrößert und ebenfalls der Ladungsstrom innerhalb der Flüssigkeit modifiziert werden kann. Die zweite Elektrode 64 besteht vorzugsweise aus Platin, Nickel oder rostfreiem Stahl und ist mit einem Hochspannungswiderstandselement 72 außerhalb des Gehäuses 12 über eine elektrische Anschlußleitung 74, die sich durch Rohr 56 erstreckt, in Serie geschaltet. Das Widerstandselement 72 ist an seinem entgegengesetztem Ende mit dem Erdverbindungspunkt 80 der Hochspannungsquelle 40 verbunden. Eine äußere ringförmige Elektrode 82 (z.B. aus rostfreiem Stahl) kann an die äußere Grundfläche 84 der Bodenplatte 14 durch Klebemittel oder durch eine Vielzahl von Verankerungselementen

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86, die sich aufwärts durch die Elektrode 82 erstrecken und in der Grundplatte 14 eingebettet sind, angehängt werden. Die zentrale Öffnung 88 der Elektrode 82 und die Entladungsöffnung 28 sind aufeinander eingestellt, wobei die Öffnung 28 vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 2 cm, besonders bevorzugt von weniger als etwa 1 cm, ganz besonders bevorzugt von weniger als 6 mm aufweist, und der Durchmesser der zentralen Öffnung 88 weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 600 ,um, ganz besonders bevorzugt weniger als 200 ,um beträgt. In dieser Stellung unterstützt die Elektrode 82 das Zerstäuben infolge der Entwicklung des elektrostatischen Feldes, die Einstellung der Elektrode 82 ist jedoch nicht kritisch für das Verfahren, solange sie außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist. Die Elektrode 82 ist auch mit einem zweiten Erdverbindungspunkt 90 verbunden, der zwischen der Erde 78 und dem ersten elektrischen Verbindungspunkt 80 liegt. Die erste Elektrode 48 ist negativ aufgeladen, wogegen die zweite Elektrode 64 ein bezüglich der ersten Elektrode 38 relativ positives Potential und die Außenelektrode 82 das Bodenpotential (das positive Potential der Quelle 40) aufweisen. In einer anderen Arbeitsweise ist die erste Elektrode 38 negativ aufgeladen, und die zweite Elektrode 62 und die Außenelektrode 82 sind relativ dazu positiv aufgeladen. Die Hochspannungsquelle 40 kann eine Gleichspannungs-, eine Wechselspannungs- oder eine Impulsspannungsquelle beider Polaritäten sein, wobei die Quelle etwa 100 V bis etwa 100 kV, vorzugsweise etwa 100 V bis etwa 50 kV Gleichspannung, besonders

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bevorzugt etwa 100 V bis etwa 30 kV Gleichspannung besitzt. Die in die Flüssigkeit 36 in der Kammer 26 induzierte Ladung ergibt sich aus dem Ladungsstrom von der ersten Elektrode 38 zur zweiten Elektrode 62. Die Flüssigkeit innerhalb der Kammer 26 strömt gegen die Entladungsöffnung 28 der Grundplatte 14, wobei die elektrische Ladung, die in die Flüssigkeit innerhalb der Kammer 26 induziert ist, genügend groß sein muß, damit eine freie Überschußladung in der Flüssigkeit innerhalb der Kammer 26 vorliegt, wobei die Ladung sowohl positiv als auch negativ sein kann. Die Flüssigkeit wird nach außen in Form eines Sprays emittiert (in Form einer Vielzahl von Tröpfchen 92), wobei die Außenelektrode 82 die Beschleunigung der aufgeladenen Tröpfchen 92 noch vergrößert.

Figur 3 zeigt die elektrostatische Zerstäubungsvorrichtung 10 in Reihe geschaltet mit einer Vorratseinrichtung 108, die einen Behälter 110 mit einer Bodenplatte 112, einer Vielzahl von aufwärts gerichteten Wänden 114, einem Oberteil 116 mit einer GewindeÖffnung 120 darin und einer Kammer 122 umfaßt, in der die zu zerstäubende Flüssigkeit aufbewahrt wird. Das eine Ende 124 einer zweiten zylindrischen Vorratsleitung 126 für die Flüssigkeit erstreckt sich durch eine der Wände 114 des Behälters 110. Das andere Ende 128 der Leitung 126 und das Ende 130 der Leitung 32 sind in Reihe über ein Flüssigkeitsventil 132 verbunden. Eine Anzahl von Rädern 134 kann an der Bodenplatte 112 des Behälters

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110 angebracht werden, um dadurch die Beweglichkeit der Vorrichtung 10 zu verbessern.

In Figur 4 ist die elektrostatische Zerstäubungsvorrichtung 10 in der Kammer 134 einer zylindrischen Brennervorrichtung 136 dargestellt, mit einem offenen Ende 138, einer zylindrischen Seitenwand 140 und einem Oberteil 142, wobei sich die Leitung 32 durch das Oberteil 142 hindurch erstreckt und die zerstäubten Tröpfchen innerhalb der Kammer 134 mit Luft gemischt und anschließend in der Verbrennungszone der Kammer mit Hilfe eines geeigneten Entzündungsmittels 135, z.B. einer Zündkerze, entzündet werden können. Luft wird in die Kammer 134 durch Standardgebläse oder Kompressoren eingeführt. Die Seitenwand 140 kann auch eine Vielzahl von Lufteinlaßöffnungen 13 für eine ergänzende Luftzufuhr in die Kammer 134 aufweisen.

Figur 5 zeigt die elektrostatische Aufladungsvorrichtung 10 verbunden mit einer Vorrichtung zur Handbetätigung 240. Zu
dieser Vorrichtung gehört ein zylindrisches Gehäuse 242 mit einer L-förmigen Konfiguration mit einem kürzeren Teil 244
und einem längeren Teil 246. Das offene Ende 248 des längeren Teils 246 besitzt ein Innengewinde und ist eingerichtet für eine Verschraubung mit dem Außengewindehals 250 einer Flasche 252, die eine Entlüftungsöffnung 251 aufweist und zur Aufnahme der Flüssigkeit 36 geeignet ist. Das geschlossene Ende 254

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des kürzeren Teils 244 enthält eine Öffnung 256, durch die sich die Vorrichtung 10 in der erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie sie in den Figuren 1, 2, 6 oder 7 dargestellt ist, erstreckt mit der Entladungsöffnung 28, die außerhalb des Gehäuses 242 angeordnet ist. Das Ende 34 der Leitung 32 ist in Reihenschaltung mit einer Flüssigkeitspumpe 256 verbunden, die innerhalb des Gehäuses 242 an dem Vereinigungspunkt 258 der Teile 244 und 246 angeordnet ist. Das eine Ende 260 der verlängerten Zuführungsleitung 262 für die Flüssigkeit ist in Reihe verbunden mit der Flüssigkeitspumpe 256, wobei sich die Leitung geradlinig durch den Teil 246 und mit dem Ende 26 4 über das offene Ende 248 hinaus erstreckt und so eingerichtet ist, daß es in die Flüssigkeit 36 in der Flasche 252 eintaucht.

Ein Kippschalter 266 erstreckt sich durch die Seitenwand des Teils 244 und ist auf einem Stift 270 gelenkig angebracht und zum Zwecke der Drehung in der inneren Fläche der Seitenwand 268 des Teils 244 gelagert. Das innere Ende 272 des Kippschalters 266 ist mit der Kolbenstange 280 des Kolbens 282 der Flüssigkeitspumpe 256 verbunden. Ein magnetodynamischer Generator 284 mit einer Antriebswelle 287 ist in der Kammer 272 des Gehäuses 242 angeordnet, wobei ein Ritzel 285 auf einer Welle 287 sitzt. Ein Zahnstangentrieb 289 ist mit dem Kippschalter 266 verbunden und greift in das Zahnrad 287 in der Weise ein, daß eine Bewegung des Kippschalters 266 eine Ein-

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schaltung des Generators 284 bewirkt. Der Generator 284 arbeitet als Hochspannungsquelle 40 der Vorrichtung 10, wie in den Figuren 1, 2, 6 oder 7 dargestellt. Eine Rückstellfeder 286 steht in Verbindung mit dem Kippschalter 266 und einem Verankerungselement 288, das auf der Innenfläche der Seitenwand 268 des Teils 244 angebracht ist. Im Betrieb, wenn der Kippschalter 266 die Pumpe 256 einschaltet, pumpt diese die Flüssigkeit 36 in die Kammer 26 der Vorrichtung 10, während das elektromagnetische Mittel 284 einen Hochspannungsstrom zur ersten Elektrode 38 liefert.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Aufladungsvorrichtung 10, wobei der Unterschied zur ersten Ausführungsform in der Konstruktion und Positionierung der ersten Elektrode 38 und der zweiten Elektrode 64 innerhalb der Kammer 26 besteht. Die erste Elektrode 38 besteht aus einem zylindrischen Teil 204 mit einer sich longitudinal erstreckenden Bohrung 206 mit einem oberen Ende 208 und einem unteren Ende 210. Die Fläche 211 der Bohrung 206 wird von einer Vielzahl von scharfkantigen, in Längsrichtung sich erstrekkenden, dicht gefügten und geriffelten Gewinderippen 212 gebildet. Die zweite Elektrode 64 ist ein langgestreckter zylindrischer Körper 216, der innerhalb des Bohrloches 206 des Teils 204 angeordnet ist, indem sich das Rohr 56 geradlinig zu dem Ende 214 des Körpers 216 und aufwärts durch die flüssigkeitsdichte Öff-

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nung 218 innerhalb des Oberteils 22 der Vorrichtung 10 erstreckt. Der Teil 204 kann aus einer Vielzahl von Rasierklingen gebildet werden, die aufeinander gestapelt und mittels Klebstoff untereinander in der gewünschten zylindrischen Gestalt befestigt werden. Die äußere zylindrische Seitenwand 220 des Teils 204 ist durch Klebemittel 222 auf der inneren zylindrischen Fläche der Seitenwand 16 des Gehäuses 12 befestigt, wodurch erreicht wird, daß die in der Kammer 26 befindliche Flüssigkeit durch das ringförmige Loch 224, das durch die Bohrung 206 und den Körper 216 bestimmt wird, abwärts fließt. Der Ladungsstrom zwischen den Elektroden 38 und 64 fließt senkrecht zu dem Konvektionsstrom der Flüssigkeit innerhalb des ringförmigen Loches 224.

Die Figur 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Aufladungsvorrichtung 10, wobei der Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10 in der Positionierung und Konstruktion der ersten Elektrode 38 und der zweiten Elektrode 64 innerhalb der Kammer 26 besteht. Die erste Elektrode 38 besteht aus einem verlängerten Stab 223 mit einem konisch gespitzten Ende 221, wobei sich der Stab 223 quer durch die Seitenwand 16 des Gehäuses 12 erstreckt. Das Rohr 46 ist mit der Elektrode 64 verbunden und erstreckt sich durch eine Öffnung 230 in der Seitenwand 16 des Gehäuses 12 und ist darin mittels Klebemitteln oder über Gewinde befestigt, wobei die stumpfe Fläche 63 der Elektrode 64 in Längsrichtung

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innerhalb der Kammer 26 ausgerichtet ist. Der Stab 223 kann so bewegt werden, daß man die Öffnung zwischen der Fläche 221 der Elektrode 38 und Elektrode 64 innerhalb der Kammer 26 einregulieren kann. Das Ende 221 der ersten Elektrode 38 ist innerhalb der Kammer 26 in Querrichtung gegenüber der Elektrode 64 angeordnet. In Abhängigkeit von der Positionierung der ersten Elektrode 38 relativ zu der stationären zweiten Elektrode 64 innerhalb der Kammer 26 kann die Entfernung zwischen den Elektroden 38 und 64 ebenso leicht wie der Durchdringungswinkel des Ladungsstromes innerhalb der Kammer 26 relativ zu dem Strom der Flüssigkeit 36 variiert werden. Alternativ liegt es ebenfalls innerhalb des Bereichs der Erfindung, daß man die zweite Elektrode 64 in Längsrichtung bewegbar machen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.

Beispiel 1

Eine ausgedehnte Serie von Versuchen wurde unter Verwendung von Sprühtrioden ("Spray Triode") ähnlich denen, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, durchgeführt. Mit diesen Versuchen wurde folgendes bezweckt:

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1. Aufnehmen der Endcharakteristiken eines Sprühtrioden-Arbeitsvorganges als Funktion der inneren Geometrie, der Strömungsgeschwindigkeit, der Spannung und des Widerstandes, und

2. Maximierung der mittleren spezifischen Aufladung (Verhältnis von mittlerer Sprühladung zur Masse), d.h. Minimierung der mittleren Größe der Sprühtropfchen.

Es wurde eine negative Hochspannung an die zentral angeordnete Emissionselektrode 38 (Figur 2) gelegt. Die Elektrode 38 war entlang ihrer Achse beweglich, wodurch eine Änderung ihrer relativen Lage in bezug auf die stumpfe Elektrode 64 möglich war.

Für die Mehrzahl der Versuche bestand die Elektrode 38 aus einem Rundstab aus nicht rostendem Stahl mit einem Durchmesser von 3 mm, der mit einem 2 mm dicken Segment eines Uranoxid/Wolfram-Verbundes mit borstenartiger Oberfläche versehen war. Das Ende 50, an das die Uranoxid/Wolfram emittierende Oberfläche gelötet wurde, wurde zu einer konischen Konfiguration geschliffen, wobei die Achse mit der Mittellinie des Elektrodenfußes aus nicht rostendem Stahl zusammenfiel.

Insgesamt gesehen läßt sich mit Kegelwinkeln von 120 bis 60 erfolgreich arbeiten. Die zu diskutierenden Ergebnisse wurden

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mit einem 60 -Kegelwinkel erhalten, entsprechend einer emittierenden Fläche (der borstenartigen Oberfläche) mit einem Durchmesser der Kegelgrundfläche von 1,5 mm und einer Höhe von 1,1 mm. Das borstenartige Elektrodenmaterial in dieser Versuchsreihe besaß 2 χ 10 Wolframstifte, die jeweils eine Querausdehnung von 0,5 ,um aufwiesen, parallel zur Elektrodenfuß-Mittellinie orientiert und gleichmäßig und beinahe regelmäßig über die Oberfläche verteilt waren.

Die Anwesenheit kleiner leitender Stifte diente dazu, das lokale elektrische Feld in unmittelbarer Nachbarschaft der Stifte zu erhöhen und die Ladungsemission vom Metall in das Spraymedium zu erleichtern. Die borstenartige Oberfläche verhielt sich so wie ein Feldemitter von negativen Ladungen unter der Wirkung des elektrischen Feldes, das sich durch die Spannungsunterschiede zwischen Elektrode 38 und der stumpfen Elektrode 64 aufbaute. Anfänglich wurde mit geätzten, freistehenden Wolframstiften gearbeitet. Vorzugsweise wurde durch das Ätzen die Uranoxidmatrix entfernt, die die Wolframeinkristailstifte trägt. Diese Stifte 51 waren etwa 5 ,um lang und wurden selektiv geätzt, um scharfe Spitzen an den Enden zu erhalten. Auf diese Weise sollte der Feldverstärkungsfaktor an den Stiftspitzen erhöht werden.

Die Verstärkung des elektrischen Feldes an den emittierenden Spitzen ist ein charakteristisches Merkmal arbeitender Sprüh-

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trioden. Die Verstärkung des elektrischen Feldes aufgrund des kleinen Krümmungsradius der emittierenden Bereiche läßt die Entwicklung hoher Feldstärken an den emittierenden Stiften zu, während in dem größeren Teil des fließenden Mediums in dem Raum zwischen den Elektroden eine sehr viel niedrigere elektrische Feldstärke herrscht. Wenn eine genügend hohe Spannung angewendet wird, um auf diese Weise eine Feldemission aus der Oberfläche zu bewirken, dann werden die freien Elektronen in einen Bereich freigelassen, in dem ihre Geschwindigkeit aufgrund ihrer Beweglichkeit in Übereinstimmung mit der geringen Feldstärke im Bereich zwischen den Elektroden niedrig ist.

Es wurde gefunden, daß der Betrieb von Sprühtrioden über einen Zeitraum von 1/2 Stunde die Stifte 51 erheblich erodierte, wobei kurze Stücke zurückblieben (etwa 1 ,um) oder in einigen Fällen das Wolfram bis unter die mittlere Fläche der Elektrode entfernt wurde. Trotzdem wurde kein merklicher Qualitätsverlust beim Betriebsverhalten der Sprühtrioden im Verlaufe des Reduktionsprozesses beobachtet. Unter allen untersuchten Versuchsbedingungen erzeugten die gekürzten Stifte 51 wegen ihrer geringen Querdimensionen eine Feldverstärkung, die vergleichbar zu derjenigen war, die man im Anfang mit den fein geschliffenen Stiftkonfigurationen erhalten hatte. Aufgrund dieser Beobachtungen wurde die Mehrzahl der Versuche mit geschliffenen und polierten Verbundstrukturen durchgeführt. Es wurden keine

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οΛ

nachträglichen Vorkehrungen getroffen, um freistehende Stifte zu gewährleisten. Beim Arbeiten mit Einzelexemplaren von Verbundmustern wiesen borstenartige emittierende Oberflächen nach vielen 10 Stunden noch keine Anzeichen von QualitätsVerlusten auf bei einer täglichen Reproduzxerbarkeit von normalerweise 10 %.

Die Untersuchungen wurden mit einer Anzahl verschiedener stumpfer Elektroden 64 durchgeführt. Normalerweise wurden diese Elektroden aus 250,um dicken nicht rostenden Stahlfolien (Nr. 304) hergestellt. Die weiter unten beschriebenen Ergebnisse wurden mit einer stumpfen Elektrode erhalten, die ein einziges Loch 6 8 mit einem Durchmesser von 200 ,um aufwies, das konzentrisch zu der Mittellinie der emittierenden Elektrode angeordnet war. Die stumpfe Elektrode 54 wurde mit der Erde über einen hohen Widerstand 72 verbunden. Die Mehrzahl der Versuche wurde mit einem 1000 MCl -Widerstand durchgeführt. Es wurden auch Widerstandswerte bis hinauf zu 5000 M Xl. untersucht und annehmbare Betriebswerte erhalten. Stumpfe Mehrlochelektroden 6 4 wurden untersucht und arbeiteten gut. Insbesondere arbeiteten Elektroden mit 3 Löchern von jeweils 200 ,um Durchmesser, im gleichen Abstand von 500 ,um, und Elektroden mit 4 Löchern mit jeweils 156 ,um Durchmesser, in 250 ,um-Quadrate angeordnet, erfolgreich.

Sowohl die emittierende Elektrode 38 als auch die stumpfe Elektrode 64 hatten einen Kopf aus Lucite mit einem Außendurchmesser

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von 31,8 mm und einem Innnendurchmesser von 11,51 mm. Es wurden verschiedene Einsätze mit einem Außendurchmesser von 11,46 mm und einem Innendurchmesser von 6,35 mm verwendet, um die Wirbelgröße zu variieren, die auf das Spraymedium einwirkt, wenn dieses von zwei diametral entgegengesetzten Eintrittsstellen in die Sprühtriode eintritt. Das Auftreten von Wirbel änderte die elektrischen Kenndaten der Sprühtriode nicht wesentlich, führte jedoch bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes zu einem erhöhten Zerreißen der Flüssigkeit und ist daher für solche Anwendungen wichtig, bei denen die Erzeugung von Tröpfchen bei Abwesenheit einer Spannung von Bedeutung ist.

In den Versuchen wurde auch ein Einsatz angewendet, der keine Wirbel erzeugt und radiale Durchgänge aufweist, die die Einlaßöffnungen mit dem zwischen den Elektroden befindlichen, für die Ladungsinjektion vorgesehenen Raum verbinden. Der resultierende Ausgangsstrom, der aus der Ausgangsöffnung 68 mit einem Durchmesser von 200 ,um in die stumpfe Elektrode 64 eintrat, besaß ein glasartiges, rundstabähnliches Erscheinungsbild mit einem gelegentlichen Aufbrechen in einen kollinearen Strom von Tröpfchen mit einem Durchmesser von 200 ,um, die 10 cm stromabwärts von der stumpfen Elektrode auftraten. Dieses Aufbrechen trat unter der Wirkung zufälliger mechanischer Vibrationen auf, die im Versuchsapparat intermittierend erfolgten.

•Ο9823/0Θ04

Die dritte Elektrode 82 wurde mit einer zylindrischen Sammelelektrode elektrisch verbunden, die so gestaltet und positioniert ist, daß sie das gesamte dispergierte Sprühmittel auffangen kann. Elektrode 82 und Sammelelektrode bildeten eine einzige elektrische Einheit mit Grundpotential.

Das Endverhalten der Sprühtriodenvorrichtung, d.h. der Strom zu der emittierenden Elektrode 38 und von der stumpfen Elektrode 64 und der Kollektorelektrode 84, wurde als eine Funktion der angelegten Spannung (V ) für verschiedene Elektroden-

abstände und verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten Q erhalten. Eine kleine Getriebepumpe zum Zuführen von Mengen bis zu 10 ml/Sek. bei Drucken bis zu 1000 KPa wurde in Verbindung

-13
mit Filtern (10 ,um) eingesetzt, ferner ein Akkumulator zum Ausgleichen der durch die Pumpe induzierten Druckschwankungen, Durchflußmesser zum Regeln der Strömungsgeschwindigkeit und geeignete Ventile zur Steuerung der Zirkulation der Sprühflüssigkeit während des Versuchs.

In allen Fällen wurde ein hoch raffiniertes paraffinisches Weißöl eingesetzt. Dieses Öl, Marcol 87, ist in Tabelle I näher definiert.

Ständiger Gebrauch des gleichen Öls über eine längere Zeit (Monate) führte zu sehr geringfügigen Änderungen der in der

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Tabelle für frisches Öl angegebenen physikalischen Eigenschaften. Nach etwa 2 Monaten täglichen Betriebs wurde festgestellt,

— 12 —12

daß die Leitfähigkeit von 0,3 χ 10 S/m auf 0,9 χ 10 S/m angestiegen war. Nach 6-monatiger Betriebsdauer war die Leit-

— 12

fähigkeit auf 1,6 χ 10 S/m angestiegen. In allen Fällen wurden die Leitfähigkeitswerte für niedrig genug gehalten, so daß die beobachteten zeitlichen Schwankungen vernachlässigt werden können.

Der Versuch wurde in einem zylindrischen Gehäuse von 35 cm Durchmesser, das mit einem kontinuierlichen Stickstoffstrom gespült wurde, durchgeführt. Um die Möglichkeit der unerwünschten Tröpfchensprühverbrennung auszuschalten, wurde der Sauerstoffgehalt im Gehäuse bei allen Versuchen unterhalb von 5 % gehalten.

Der Betrieb einer Sprühtriode mit einer Kombination von Gleichstromspannung plus einer variablen Wechselstromkomponente führte dazu, daß unter allen untersuchten Bedingungen (Wechselspannungen mit Frequenzen im Bereich von 15 bis 1200 Hz und Amplituden bis zu 0,10 kV bei Gleichstrom) sich eine geringere Ladungszufuhr und eine geringere spezifische Ladung, verglichen mit der Gleichstrom-Arbeitsweise, ergaben. Infolgedessen wurden alle Versuche unter Verwendung einer Gleichstrom-Stromversorgung durchgeführt. In allen Versuchen wurde eine NJE-Stromversorgung

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für allgemeine Zwecke mit O bis 30 kV Hochspannung eingesetzt. Zwei Hochspannungskondensatoren von je 0,02 ,uF wurden in Parallelschaltung eingesetzt, um die Welligkeit bei Betriebsspannungen von 80 V Spitze-Spitze auf 10 V Spitze-Spitze zu reduzieren.

Mit dieser Ausführungsform wurden zusätzliche Versuche durchgeführt, um (1) die Leistungsfähigkeit der Sprühtriode zu optimieren (d.h. die mittlere spezifische Ladung so groß wie möglich zu machen), und (2) eine Datenbasis zu entwickeln, aus der eine detaillierte Kenntnis der Arbeitsweise von Sprühtrioden erhalten werden kann.

Die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit (Q), die Elektrodenabstände A-B und die angelegte Spannung (V ) wurden während der

Versuche systematisch variiert. Die Betriebstemperatur wurde auf 25 - 0,5°C festgelegt. Mit Ausnahme einer Versuchsreihe, bei der ein 5 χ 10 -Ω- -Widerstandsgerät 72 zwischen der stumpfen Elektrode 64 und der Erde 78 verwendet wurde, wurden alle anderen Daten mit einem 10 SX -Widerstandsgerät 72 erhalten. In dem beschriebenen Bereich wurde keine meßbare Abhängigkeit des Sprühverhaltens auf den Widerstandswert festgestellt. Daher ist die Eliminierung dieses Parameters in der vorliegenden Studie gerechtfertigt.

909823/oeOi

In Übereinstimmung mit Ostroumov's Beobachtungen, daß für eine laminare Strömung (die in diesem Versuch vorliegt) der feldemittierte Raumladungs-Grenzstrom von der angelegten Spannungsdifferenz kubisch abhängt, werden alle Daten aufgetragen als

1 /3
I gegen die Spannungsdifferenz. Eine kubisch abhängige I/V-Charakteristik würde eine gerade Linie ergeben. Die grafische Darstellung I stellt einen Datensatz dar, der bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit von 1,05 ml/Sek. erhalten wurde. Für jede der drei getesteten Elektrodenabstände wurde eine getrennte Kurve gezeichnet. Ähnliche Daten wurden für jede der vier untersuchten Strömungsgeschwindigkeiten (0,43, 0,60, 0,83 und 1,05 ml/Sek.) erhalten.

Das bilineare Verhalten der Daten ist ganz offensichtlich. Dies ist ein Merkmal, das sich für die Sprühtriode bei allen geprüften Strömungsgeschwindigkeiten zeigt, wenn eine borstenartige emittierende U0₉/W-Elektrode verwendet wird. Innerhalb eines

+ 1 /3 experimentellen Fehlers von φ 10 % Strom (*"v- - 3 % in I ) sind die Werte linear, d.h. der Strom ist von der Spannung kubisch abhängig, und zwar sowohl unterhalb als auch oberhalb des Verzweigungspunktes ("breakpoint"). Die Werte, die bei Spannungen oberhalb des Verzweigungspunktes erhalten wurden, sind etwas mehr verstreut als die bei niedrigeren Spannungen erhaltenen, stimmen aber mit einer kubischen I/V-Abhängigkeit überein.

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28S0116

Die Werte können mit der Raumladung und der freien elektrischen Feldstärke an der emittierenden Elektrodenspitze in Beziehung gebracht werden.

Unter Verwendung der Ableitung von Jones für die elektrische Feldstärke in der Nachbarschaft eines hyperboidalen Punktes unterstützen die Werte die Interpretation der Emission, die in einem Radiusbereich von 34 ,um von der Elektrodenmittellinie auftreten. Dies stimmt überein mit der beobachteten Spitzengeometrie nach einer gewissen Betriebsperiode, in der die anfangs scharfen Kegelspitzen zu einer stabilen Gleichgewichtskonfiguration (Kegel plus halbkugelförmige Kappe) erodiert wurde. Die Verwendung dieses Wertes für den Spitzenradius und die von Jones angegebene Abhängigkeit ermöglichen es, die Spannungsdifferenz als Ausdruck der elektrischen Feldstärke an der Spitze zu interpretieren. Die Werte der grafischen Darstellung I sind als elektrische Feldstärken an der Spitze in der grafischen Darstellung II eingezeichnet. Die drei Datenkurven in Darstellung I, die bei verschiedenen Elektrodenabständen erhalten wurden, sind in einer einzigen Kurve zusammengefallen,

1 /3 — 7

in der I gegen -E aufgetragen ist (-E =10 χ E . ).

Wiederum ist die kubische Natur des Emissionsverhaltens klar

1 /3 sichtbar, ein Merkmal, das für alle Abhängigkeiten von I gegen -E, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, gilt.

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1/3

Ein ähnliches Verhalten zeigt sich, wenn (Q/M) gegen -E aufgetragen ist, siehe grafische Darstellung III (Q/M - 1 , ). Nicht unerwarteterweise unterstützen diese Daten eine zweigipflige kubische Abhängigkeit der beobachteten mittleren spezifischen Ladung von dem angelegten Emitterfeld an der Spitze (und/oder von der Spannungsdifferenz).

Der Verzweigungspunkt ("breakpoint"), definiert als der Schnitt-

1 /3 punkt der zwei geradlinigen Teile von (I, + I ) ' gegen

/—(V — V, )/, (I, + I ) gegen — E_ . oder (Q/m) gegen a ο— D c Spitze

E . , tritt innerhalb der Grenzen des experimentellen Fehlers bei dem Wert der Spannungsdifferenz (oder in gleicher Weise die Raumladung des freien elektrischen Feldes an der emittierenden Spitze) ein, bei dem von der stumpfen Elektrode zuerst ein meßbarer Strom beobachtet wird. Für Spannungen unterhalb des Verzweigungspunktes liegt der Strom von der stumpfen Elektrode (I,) innerhalb des Störpegels des Experiments, das ist ^1nA.

Es wurde festgestellt, daß oberhalb des Verzweigungspunktes I, von der Spannungsdifferenz kubisch abhängig ist. Die stumpfe Elektrode 64 sammelte unter allen Versuchsbedingungen weniger als 26 % des gesamten emittierten Stromes.

Die Analyse der niedrigsten quadratischen geraden Linien durch

1 /3
(I, + I ) gegen -E-Werte ergab die folgenden Beziehungen:

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1. Das Gefälle der anfänglich niedrigen Spannungslinien fiel langsam mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit. Jedoch waren die Gefälle für alle untersuchten Strömungsgeschwindigkeiten mit 1,45 χ 10 Amp /V/m gleich mit einer Standardabweichung von 4,3 % .

2. Ein nahezu gleiches Verhalten wurde durch das Gefälle der Linien gezeigt, die mit den Werten bei Spannungen oberhalb des Verzweigungspunktes korrelieren.

3. Die Gefälle der beiden linearen Teile der gegebenen Werte bei festgelegter Fließgeschwindigkeit stehen miteinander in Beziehung. Die Verhältnisse der anfänglichen zu den hohen Spannungsgefällen liegen bei 1,935 mit einer Standardabweichung von 3,0 %. Es wurde weder eine Beziehung zu der Strömungsgeschwindigkeit noch zum Elektrodenabstand beobachtet.

Die Analyse der maximal erreichbaren elektrischen Feldstärke an der emittierenden Spitze (d.h. die elektrische Feldstärke entsprechend der höchstmöglichen Spannungsdifferenz in Abwesenheit des Verzweigungspunktes) ergab eine lineare Abhängigkeit von den Strömungsgeschwindigkeiten (Q, ml/Sek.), bzw. E . /

opitze

max. = -(6,89 + 8,59 Q) χ 10 V/M, mit einem Bestimmungskoeffi-

2
zienten r = 0,966. Innerhalb der Versuchsfehler ist diese Beziehung unabhängig von dem Öffnungsabstand innerhalb des

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"f"

untersuchten Bereichs, wobei die Geschwindigkeit und die Eigenschaften des fließenden Mediums die alleinigen Faktoren sind, die die maximal aufrecht zu erhaltende dielektrische Beanspruchung beeinflussen. Je höher die Geschwindigkeit in der Nachbarschaft der emittierenden Spitzen ist, umso größer ist die maximale elektrische Feldstärke.

Für sämtliche erhaltene Daten wurde festgestellt, daß der Verzweigungspunkt des elektrischen Feldes E, ein konstanter Bruchteil des maximal aufrecht zu erhaltenden elektrischen Feldes ist. Das Bestehen einer konstanten Proportionalität (0,52 mit einer Standardabweichung von 8,5 %) weist auf einen allgemeinen Mechanismus hin, dem das Betriebsverhalten der Sprühtriode zugrunde liegt.

Aus diesen Daten kann man ein Modell für die Arbeitsweise der Sprühelektrode ableiten. Während die Spannungsdifferenz ansteigt (bei konstantem Öffnungsabstand und konstanter Strömungsgeschwindigkeit) , beginnt die Emission an der Spitze der Emitterelektrode 38. Dabei werden freie Elektronen in das zu versprühende Medium injiziert. Beim Verlassen der unmittelbaren Nachbarschaft der emittierenden Spitzen 51 auf der borstenartigen Fläche 50 der Elektrode 38 beginnen die Elektronen, die gebunden, zeitweise gebunden oder frei sein können, in Richtung auf die stumpfe Elektrode 6 4 zu driften. Die Driftgeschwindigkeit

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"f"

wird durch die Elektronenbeweglxchkeit und die mittlere elektrische Feldstärke im Bereich zwischen den Elektroden 38 und 64 gesteuert.

Während der Ladungsinjektion bei niedriger Spannung ist die Geschwindigkeit des fließenden Mediums genügend hoch, um zu verhindern, daß die injizierte Ladung die stumpfe Elektrode erreicht. Bei koaxialer Anordnung von Emitterelektrode und Emission wird die freie Ladung aus dem Spitzenbereich in den Hochgeschwindigkeits- "Kern" der austretenden viskosen Strömung eingeführt.

Während die Potentialdifferenz ansteigt, steigt auch die Emissionsdichte. Dies führt zu einem Ansteigen im Raumladungsfeld (oder im Gegenfeld) und zu einem Anwachsen des durch die Raumladung induzierten Druckes in dem fließenden Medium. Die Struktur des elektrischen Feldes in der Nachbarschaft der Emitterspitze wird auf diese Weise geändert. Die Spitze wird von dem angelegten Feld durch das Raumladungsfeld der emittierten Ladung abgeschirmt. Das Ergebnis ist eine Verbreiterung des Emissionsgebietes, wobei andere Teile der emittierenden Spitze aktiv werden. Dies, verbunden mit der Änderung des elektrischen Feldes, führt die freien Ladungen in Gebiete des Strömungsbildes ein, die weiter von der anfänglichen Hochgeschwindigkeits-"Kern"-Region entfernt sind. Hinzu kommt die durch den elektrischen

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2650116

Druck erzeugte Änderung des Strömungsfeldes. Die Gesamtwirkung all dieser Vorgänge besteht darin, die Bahnen der freien Ladungen außerhalb der Nachbarschaft der emittierenden Spitze zu stören.

Eine angelegte höhere mittlere elektrische Feldstärke ruft eine gesteigerte mobile Geschwindigkeit zur gleichen Zeit hervor, zu der die nach außen verdrängte Ladung auf die Strömungsgeschwindigkeiten trifft, die gegenüber denjenigen im "Kern" der Mediumströme vermindert sind. Dabei wird ein Punkt erreicht, bei dem bei steigender Spannung die Elektronenbahnen genügend von ihrer anfänglichen Bahnstruktur abgelenkt sind, um auf die stumpfe Elektrode zu treffen.

Die Daten zeigen, daß das Verhältnis aus mobiler Geschwindigkeit (V ) am Verzweigungspunkt und mittlerer Geschwindigkeit (V. ) zur Massenströmungsgeschwindigkeit Q in reziproker Beziehung steht. Mit einem Bestimmungskoeffizienten von 0,89 und unter

— 7 2 der Annahme einer konstanten Mobilität ,um = 1,3 χ 10 m /V.See; V /V, = 0,186 + 0,146/Q, stimmen diese empirischen Beziehungen innerhalb einer Schwankungsbreite von 2 % mit denjenigen überein, die man erhält, wenn man die empirische Beziehung für E als

max

Funktion von Q und ein konstantes Verhältnis von 0,52 zwischen

E, und E anwendet. Über den Bereich der untersuchten Ströb max

mungsgeschwindigkeiten und für die benutzten geometrischen Verhältnisse muß die mobile Geschwindigkeit 2 bis 5-mal niedriger als die Geschwindigkeit des fließenden Mediums sein, um eine

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285"ofiF "^τΙ

Ansairarilung des Stromes an der stumpfen Elektrode 64 zu verhindern.

Mit der Errichtung von Stromwegen zur leitenden stumpfen Elektrode 64 ist der Verzweigungspunkt vorüber, und die Stromwege verbreitern sich weiter, wobei die Spannung ebenfalls ansteigt.

Dieses "Modell" der Betriebsweise der Sprühtriode wird durch die Analyse des Sprays und die Daten des entnommenen Stromes (I ) bestätigt. Da die Tröpfchengröße in Beziehung

^c I

zur mittleren spezifischen Ladung (definiert als -ϊ— = Q/M)

Q steht, wurden die Daten in der grafischen Darstellung III

1 /3
als (Q/M) gegen -E dargestellt. Die Auswertung dieser

Daten ergibt folgendes:

1. Das beobachtete Maximum der mittleren spezifischen Ladung betrug 2,48 χ 1O~ C/kg mit einer Standardabweichung von 5,8 %, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit oder dem Öffnungsabstand.

2. Unterhalb des Verzweigungspunktes ("breakpoint") ist I, Ä*O, deshalb sind I (= Q/M.Q) und der emittierte Gesamtstrom identisch auf E bezogen, d. h. dieselbe kubische Abhängigkeit, die am emittierten Gesamtstrom beobachtet wurde, herrscht vor.

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3. Als eine Folgerung aus Punkt 2 wurde die gleiche Beziehung

zwischen E, und E erhalten. Die Daten für Q/M ergaben Jd max

innerhalb einer Schwankungsbreite von 1 % einen Wert von 0,52, bestimmt aus den Daten für den Gesamtstrom.

4. Oberhalb des Verzweigungspunktes ist der entnommene Strom kleiner als der gesamte emittierte Strom (d.h. I, ^ O). Daher ist die Steilheit der Datenreihe geringer als diejenige, die für den emittierten Strom beobachtet wurde,

1 /3

(emittierter Gesamtstrom) gegen die Daten für E. Während das Verhältnis der Steigungen, d.h. das Verhältnis der anfänglichen zur HochspannungsSteigung, für den emittierten Strom 1,935 betrug, war das entsprechende Verhältnis für den entnommenen Strom I bei einer Standardabwei-

chung von 4 % 2,234 oder etwa 21 % geringer. Daher ändert die Raumladung wesentlich stärker die mittlere spezifische Ladung als den emittierten Gesamtstrom.

Die Folgerungen aus diesen Ergebnissen sind deutlich. Bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit steigt die mittlere spezifische Ladung kubisch mit der Spannungsdifferenz an (oder äquivalent mit dem für die freie Raumladung berechneten Feld E der Emitterspitze) bis zum Anfang des Zusammenbrechens. Es wurde festgestellt, daß das Feld E der Grenzspitze linear von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Je höher die mittlere Strömungs-

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geschwindigkeit (oder die Geschwindigkeit des fließenden Me-" diums für eine konstante Austrittsöffnung), umso stärker ist das äquivalente Feld E, bei dem der Zusammenbruch erfolgt. Innerhalb des Bereichs der untersuchten Strömungsgeschwindigkeiten ist die Grenzbedingung jedoch durch die konstante mittlere spezifische Ladung gekennzeichnet.

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Tabelle I
Physikalische Kenndaten des weißen Öls "MARCOL 87"

Eigenschaften/

Temperatur O⁰C 20⁰C 25°C 38°C 50⁰C

Dichte (kg/m³) 0,859 χ 10³ 0,847 χ 1O³ 0,843 χ 10³ 0,838 χ 10³ 0,833 χ

Viskosität (m²/ 113,19 χ 1θ"⁶ 37,2 χ 1θ"⁶ 29,55 χ 1Ο~⁶ 17,58 χ 10~⁶ 11,66 χ 10~⁶ Sec)

„_ Oberflächenspan-

r> nung (/ü/m) 0,0333 0,0332 0,0328 0,0323 0,0310

<xt Molekulargewicht - ⁺34O -

**> Leitfähigkeit (S/m) - 0,3 χ 1θ"¹²
ο

*v Durchschnitt; Bereich 290 bis 425.

*' Marcol 87 ist eine Mischung aus 13 % Primol 355 (ein Naphthalinöl) und 87 % Marcol 72.

Beispiel 2

Die Versuche wurden unter Verwendung der in Figur 6 dargestellten Sprühtriodenvorrichtung durchgeführt. Marcol 87 (Hersteller Exxon Chemical Co.) wurde ausschließlich als Testflüssigkeit benutzt. Der Prüfkopf wurde aus einem Lucite-Stab mit einem Außendurchmesser von 2,54 bis 0,635 cm und mit einer 11,9 mm Durchmesser aufweisenden zylindrischen Kammer gefertigt. Der untere Teil dieser Kammer geht in einen mit 120 C konvergierenden Abschnitt über, der in einer 1 mm langen Austrittsöffnung von 1 mm Durchmesser endet.

Die Emitterelektrode 38 mit einem äußeren Durchmesser von 11,8 mm wurde in die Kammer eingepaßt. Im Normalfall war die Elektrode 220 zwischen 10 mm und 13 mm lang. Eine Anzahl Emitterelektroden mit Längen zwischen 10 und 13 mm wurde geprüft und verhielt sich ähnlich. Die Elektrode 220 bestand aus 85 Segmenten aus industriell hergestellten Rasierklingen, die so angeordnet waren, daß sie radial mit den geschliffenen Schneiden nach der Innenseite hin und parallel zu der Mittellinie der Einheit gerichtet waren. Die Rasierklingenscheiden wurden so gestellt, daß sie eine zylindrische Fläche mit einem Innendurchmesser von 4,75 mm ergaben. Annähernd eine Gesamtlänge von 1 m der emittierenden Schneidenfläche wurden auf diese Weise auf der inneren Fläche untergebracht. Die Klingensegmente wurden epoxydiert, damit sie eine zusammenhängende Einheit bildeten, wobei die Kanten frei-

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gelegt und nicht epoxydiert waren. Ein oder mehrere peripherale Rillen wurden in die äußere epoxydierte Fläche der Klingeneinheit geschliffen. Die Rillen wurden mit gewickeltem Kupferdraht und/oder elektrisch leitendem Epoxid gefüllt, wodurch sichergestellt wurde, daß alle Klingen der Einheit miteinander elektrisch leitend verbunden waren. Die Elektrode 220 wurde genau der Sprühkammer angepaßt, was dadurch sichergestellt wurde, daß der obere Teil und der Boden glatt, parallel und senkrecht zu der Mittellinie der Kammer geschliffen wurden.

Der elektrische Kontakt mit der Elektrode 38 wurde durch eine Schraube hergestellt, die in Kontakt mit der Klingenelektrode stand und diese an ihrem Ort innerhalb der Kammer 26 hielt. Die Schraube ging durch das Luci.te-Gehäuse hindurch und ragte auf der Außenseite heraus, wo sie mit der Hochspannungs-Stromversorgung 40 in Kontakt stand. Die Emitteraustrittsebene lag
1,4 mm innerhalb des Einganges der Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 1 mm.

Die Elektrode 64 wurde koaxial zu der Emitterelektrode 38 positioniert, wie in der Figur 6 gezeigt. Es wurden zahlreiche verschiedene stumpfe Elektroden 64 erfolgreich eingesetzt.
Alle Elektroden hatten einen Durchmesser von 3,T8 mm und erstreckten sich bis zum Eingang der Austrittsöffnung. Bei den ersten Versuchen wurden feste Rundstäbe sowohl aus Messing als

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— JW^ —

auch aus rostfreiem Stahl als Elektroden eingesetzt. Zusätzlich wurde eine aus rostfreiem Stahl bestehende, als Hohlwalze ausgebildete Filterelektrode 64 erfolgreich verwendet. Tatsächlich wurden die meisten Daten unter Verwendung dieses Elektrodentyps erhalten. Es wurden ferner verschiedene Stoffe als Elektrodenmaterialien verwendet. Zusätzlich zu den Elektroden aus rostfreiem Stahl wurden Versuche mit Nickel, Gold und Platin überzogenen Elektroden durchgeführt. Das Verhalten des Sprays korrelierte positiv mit der erhöhten Austrittsarbeit der stumpfen Elektrode.

Es wurden Versuche unter Verwendung von Widerstandswerten (R) von 100 MfI bis 5000 Mi) durchgeführt, wobei die Mehrzahl der Versuche mit Widerständen von R = 1000 MjTI ausgeführt wurden. In allen Fällen wurden Victoreen-Hochspannungswiderstände mit Toleranzen von -1 % bis -5 % eingesetzt. Um einen möglichen Schaden durch Funkenüberschlag zwischen der emittierenden oder Kollektorelektrode und der äußeren Elektrode 82 zu vermeiden, wurde ein Widerstand von 100 Mfl zwischen Elektrode 82 und der Erde zwischengeschaltet.

Zur Messung des Stroms I, der stumpfen Elektrode 64, des Stromes I zur äußeren Elektrode 82 und des Sprühstromes I wurden Elektrometer verwendet. Ein Kollektorbehälter, der mit rostfreier Wolle gefüllt und mit einem Deckel aus rostfreiem Stahl bedeckt

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- HflT -

NAOi ;S/i^EiCH

war, diente zum Sammeln des Sprühstromes. Dieser Behälter mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Höhe von 10 cm wurde 20 cm unter dem Sprühkopf positioniert. Für diejenigen Versuche, bei denen ein heftiges Zerstäuben vorgesehen war, wurde eine Abschirmvorrichtung auf das Oberteil des Behälters aufgesetzt, um ein vollständiges Auffangen des Sprays sicherzustellen. Das Behälterpotential wurde dicht am Boden aufrecht erhalten durch das Elektrometer, das zur Messung des Stromes I diente, wobei für Messungen im ,uA-Bereich der Widerstand 1 Mil entsprach.

Der Eingangsstrom (I ) zur emittierenden Elektrode 38 wurde durch

eine isolierte Schalttafel mit dem Bereich 0 bis 100,uA gesteuert.

Die Eingangsspannung V wurde an diesem Punkt gemessen. Die Span-

nung V, an der stumpfen Elektrode wurde aus dem bekannten Widerstandswert R und dem gemessenen Strom I, berechnet. In allen Fällen wurde der Wert R über den Betriebsspannungsbereich nachgeprüft durch Kurzzschließen von Elektrode (A) und Elektrode (B), wobei I, als Funktion von V unter Bedingungen gemessen wurden,

L) Sl

unter denen kein Strom fließt. V /I,/A-B-Kurzschluß = R.

a Jd

Die an der äußeren Elektrode entnommenen Ströme (I ) lagen in der Regel im nA-Bereich oder niedriger. Daher war die äußere Elektrode nicht wesentlich, ausgenommen bei den höchsten untersuchten Spannungen (24 kV), bei denen diese Elektrode durch Wirkung des elektrischen Feldes zwischen (E) und dem aufgeladenen

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flüssigen Medium im Inneren der Vorrichtung eine Erhöhung (9 %) der Strömungsgeschwindigkeit hervorrief. Der Sammelbehälter stellte den hauptsächlichen Rücklauf für den geladenen Sprühstrom dar und übernahm daher die Funktion der dritten Elektrode der Sprühtriode.

Alle Versuche wurden mit einem geeichten Tropftrichter-Schwerkraft-Strömungssystem durchgeführt, das Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 1,25 bis 1,67 ml/Sek. ermöglicht. Die Strömungsgeschwindigkeit änderte sich mit der Öltemperatur, mit Einzelheiten der Lage der stumpfen Elektroden in bezug auf den Austrittsöffnungsbereich und die angewandte Spannung, sie war jedoch für jede Reihe der Bedingungen innerhalb von 3 % konstant. Die Öltemperaturen lagen im Bereich von 18 bis 24 C.

Bei allen Versuchen wurde innerhalb der experimentellen Genauigkeit nachgeprüft, daß der gesamte emittierte Strom I gleich der Summe des Stromes I, zu der stumpfen Elektrode und des gesammelten Stromes I war, d.h. I = I, + I . Es wurden keine quanti-

O ei JD C

tativen Aussagen über die Zahl der Tröpfchen oder das Verhältnis Ladung zu Masse erhalten. Das Zerstäuben an sich und eine qualitative Aussage über seine Stärke wurden bei jedem Versuch festgehalten. Daher waren V , I,, I , die Strömungsgeschwindig-

a Jj c

keit m und der Widerstandswert R die größeren quantitativen Parameter, über die für jeden Versuch berichtet wurde.

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-Sf-

285Ό1Γ6"

Beim ersten Versuch mit der Sprühtriode erhielt man eine stabile Zerstäubung für -22 kV £ -V < 27,5 kV mit R = 1800 M-Ω. . Heftiges Aufbrechen des Strahles erfolgte etwa 5 cm unterhalb des Kopfes. Im Gegensatz dazu trat

für V bis zu -27 1/2 kV kein Zerstäuben auf, wenn der a

Widerstand zwischen der stumpfen Elektrode und der Erde ausgeschaltet war (R = 00). Bei diesen Versuchen war die äußere Elektrode an Ort und Stelle. Mit nur zwei Elektroden (Elektrode 64 abgeschaltet) arbeitete die Vorrichtung als Sprühdiode. In diesem Fall blieb der austretende Strom ein laminarer, glasartiger, glatter, zirkulierender 1 mm-Strahl vom Sprühkopf bis zum Behälter. Es konnte keine physikalische Änderung beobachtet werden, wenn die angelegte Spannung bis zum maximal verwendeten Wert von 30 kV erhöht wurde. Die Ströme I lagen bei Betrieb als Diode im nA-Bereich.

Der ZerstäubungsVorgang wird von der Sprühtriode dadurch bewirkt, daß die Ladung in die zu versprühende Flüssigkeit mit Kraft injiziert wird. Von den scharfen Kanten der Rasierklingenelektrode 38 werden Elektronen unter der Wirkung des zwischen Elektrode 38 und Elektrode 6 4 bestehenden elektrischen Feldes emittiert. Daher hat das fließende Medium in dem ringförmigen Zwischenraum 224 einen Überschuß an freier Ladung. Die physikalische Verschiebung des aufgeladenen Mediums aus dem ringförmigen Zwischenraum nach außen läßt zu, daß das Zerreißen der Flüssigkeit fortschreitet.

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-SZ-

Ein angenähertes Modell dieses Verfahrens, mit dem die experimentellen Daten verglichen werden können, und die Gesamtgültigkeit des untersuchten Konzepts konnten entwickelt werden. Ein handliches Modell konnte konstruiert werden unter der Voraussetzung, daß die Raumladungswirkungen (das ist der freie Ladungsüberschuß, der in die Flüssigkeit mit Kraft injiziert wird ) vernachlässigt werden können. Vernachlässigt man ferner die Kanteneffekte,

dann ist das maximale elektrische Feld in dem Innenzwischen-Vat

raum E, = f ^vb ~) f_r _ _r Λ wobei r = innerer Radius der

b [ t_& y I a V ' a

emittierenden Elektrode 212; r, = Radius der stumpfen Kollektorelektrode 64; V , = Potentialdifferenz des

Zwischenraums = V - I, R.

a b

Im Idealfall sollte die emittierende Elektrode im Inneren der stumpfen Elektrode angeordnet sein. Mit dieser Anordnung würden die Feldemitterkanten bei einer gegebenen angelegten Spannung im Zwischenraum in dem stärksten möglichen Feld E liegen. Fabrikationsschwierigkeiten machten es erforderlich, die Emitter wie angegeben zu konstruieren.

Unter Berücksichtigung der Bedingungen in der Nachbarschaft der stumpfen Elektrode 64 ist unter Verwendung der Elektrodendimensionen

E_b = 1,89 χ 1O³ V_ab (V/m)

mit r = 2,38 mm, r, = 1,58 mm.

cL J3

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Die Stromdichte an der Oberfläche der stumpfen Elektrode

beträgt J. = Vp (A/m ) , wobei V =. mobile Geschwindigkeit der Ladungsträger (m/Sek.)

ρ = freie Uberschußladungsdichte in dem fließenden Medium

¹ 3
(C/m ). Die mobile Geschwindigkeit in der Nachbarschaft der stumpfen Elektrodenfläche ist durch Definition

V , =Ve, mb b

worin Jy = Elektronenmobilität in der Flüssigkeit m /V.Sek.

Da I_b = J_bA_b

wobei A_b = die Seitenfläche der stumpfen Elektrode ist (für

2 eine 13 mm lange stumpfe Elektrode beträgt A, = 1,04 cm ),

V-I-R ab

^Va ^E

oder

V E

,u Se ^Ab

Unter Verwendung der genannten Dimensionen heißt dieses zahlenmäßig ausgedrückt

^ = IrOl _{+ R}

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Umfangreiche Daten, die bei Spannungen von 20 kV = -V - 28 kV,

et

mit I, bis zu ^ 30 ,uA und 500 M.S1 -R- 5000 M.51 erhalten wurden, erlaubten es, die folgende empirische Beziehung für einen Sprühkopf unter Verwendung einer stumpfen Elektrode mit einer Abschirmung aus rostfreiem Stahl und unter Verwendung von Marcol 87 zu entwickeln.

=^ = 0,401 χ 10⁹ + 1,30 R 20 kV ^ - V ^ 28 kV ^Ib ^a

Alle Daten lagen innerhalb einer Schwankungsbreite von -10 %. Ein empirisches kleinstes mittleres Quadrat, angepaßt an die Daten im Bereich 15 kV - -V - 28 kV mit den gleichen Widerstands-

werten, führte zu einer ähnlichen Gleichung:

V_ _q

-=^ = 0,58 χ 10 + 1,28 R 15 kV *= -V =*' 28 kV

wobei alle Werte innerhalb einer Schwankungsbreite von etwa lagen.

Der Koeffizient von R wird als eine Äußerung der Raumladungswirkungen interpretiert, die in dem vereinfachten Modell vernachlässigt wurden. Ein direkter Vergleich zwischen dem empirischen Ausdruck (-V , 20 kV bis 28 kV) und dem idealisierten

Ausdruck erlaubt die folgende Abschätzung:

= 1,3 χ 1O~⁸ (S/m)

ti

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Das Produkt ,u 3 kann als effektive Leitfähigkeit betrachtet werden. Zum Vergleich siehe die Eigenleitfähigkeit von Marcol in Tabelle I. Für Kohlenwasserstoffe gilt

— 8 —7 "3

normalerweise 10 - ,u - 10 oder S ^ 0,13 C/m . Die freie überschußladungsdichte 3 hängt'in einfacher Weise von dem Verhältnis Flüssigkeitsladung zu Masse Q/m (C/kg) ab:

Q/m = 5_e/?

wobei S die Massendichte (kg/m ) bedeutet. Für Marcol 87 erhält man 5 = 845 kg/m .

Es ist daher zu erwarten, daß Marcolzerstäubungen aus der beschriebenen Sprühtriode ein Verhältnis von Ladung zu

—4 Masse von Q/M ~ 1,5 χ 10 C/kg haben sollten.

Bisher waren noch keine Daten über die Mobilität von Marcol 87 bekannt. Messungen von I und des Massenstromes ermöglichten es, das Verhältnis von mittlerer Ladung zur Masse Q/M = I /m zu erhalten. Die Verhältnisse von mittlerer Ladung zu Masse

-4 -4

von 1 χ 10 bis 2,2 χ 10 C/kg wurden bei Einsatz der in Figur 6 gezeigten Vorrichtung durchweg beobachtet. Diese Daten erlauben, die Mobilität von Marcol direkt aus den Messungen

von I₁ , I und V zu erhalten: b c a

I _{5 e} = (Q/m) 5 = — 3 = l_c Q

wobei Q = volumetrischer Massefluß in ml/Sek.

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5?

Dies bedeutet numerisch für die angegebene Geometrie

_/U= 5,14 χ 1O~⁶ Q

a jj

Trägt man I₁/1 gegen (V -I₁R) auf, so erhält man eine lineare

D C a JD

Regressionsanpassung an die Daten, woraus die folgende Beziehung abgeleitet werden kann:

I /I = 61,24 + 14,37 χ 1O~³ /-(V -Iu₁Ri?

Der konstante Faktor stellt eine Spannungsverschiebung ("offset voltage") von -4,26 kV dar, unter der keine Emission mehr beobachtet wurde. Oberhalb dieses Wertes führen die bei Q= 1,67 ml/ Sek. Fließgeschwindigkeit erhaltenen Werte zu einer mittleren Mobilität von

,u = 1,29 χ 10 m /V.see.

Dies entspricht einem Verhältnis von mittlerer Ladung zu Masse

-4
von 1,2 χ 10 C/kg. Es wurde eine maximale Potentialdifferenz im Zwischenraum von 11 kV beobachtet. Jenseits dieses Wertes würde ein Zusammenbrechen erfolgen. Dies entspricht einem maximal zu erreichenden elektrischen Feld von

= 2.08 χ 10⁷ V/M.

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Die gemessene Leitfähigkeit von frischem Marcol beträgt

— 13
3 χ 10 S/m. Nach mehrmonatigem Gebrauch wurde eine Leitfähig-

-13
keit von 9 χ 10 S/m oder weniger gefunden. Setzt man diesen Wert und den maximalen Wert für das elektrische Feld E ein, dann beträgt die maximale Leitungsstromdichte

J = gE = 1.87 χ 10 ⁵ A/m²

Für eine Gesamtfläche der stumpfen Elektrode von 1,04 cm entspricht dies I, r^> 2 nA; zum Vergleich ist I, für V , ä^ - 11 kV ~^ 30 ,uA. Daher führte in diesem Falle die Ladungsinjektion durch feldemittierende Elektronen mit der Sprühflüssigkeit

4 zu einem Stromanstieg um einen Faktor von mindestens 10 .

Die mobile Geschwindigkeit beträgt unter den Bedingungen des maximalen Feldes E ~^ 2,68 m/sek. Im Gegensatz dazu betrug die mittlere Geschwindigkeit des fließenden Mediums normalerweise 0,17 m/sek. Hieraus und aus der bekannten Stromdurchflußgeometrie kann das Verhältnis I /I, grob abgeschätzt werden. Der berechnete Wert I /I, von 0,005 liegt bei etwa der Hälfte des beobachteten Wertes. Diese Divergenz zwischen Theorie und Beobachtung ist nicht unerwartet unter der Berücksichtigung, daß sowohl die Raumladung als auch die Randfeldeffekte sowie die Details des von der Viskosität berherrschten Strömungsfeldes vernachläßigt wurden.

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Die emittierte Stromdichte unter den Bedingungen des maximal zu erreichenden Feldes (V , «=/ - 11 kV) beträgt aufgrund der empirischen Beziehung (-V , 15 zu 28 kV und R = 1000 M -Ω-)

~- 5,5 ,uA / cm .

Beispiel 3

Die ersten Untersuchungen wurden unter Einsatz der in Figur dargestellten Vorrichtung durchgeführt. Marcol 87 ließ man unter seiner Schwerkraft aus einem 500 ml Tropftrichter, der etwa 1 m über dem Sprühkopf angeordnet war, mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 1,2 ml/sek ausfließen. Die Flüssigkeitshöhe im Tropftrichter wurde mit Hilfe einer Pumpe, die die Sprühflüssigkeit zu dem Trichter zurückführte, auf einem konstanten Niveau gehalten. Die Elektrode 38 wurde aus einem mit Nickel überzogenen geraden Stift 223, dessen Spitze auf Glas unter Öl glatt poliert wurde, hergestellt. Die stumpfe Elektrode 64 bestand aus einer 4-40 Maschinenschraube aus rostfreiem Stahl, die im Hinblick auf die Stiftelektrode 38 koaxial angeordnet war. Das polierte Ende der stumpfen Elektrode 64 war 2 mm von der Stiftspitze 221 entfernt. Der Zwischenraum war symmetrisch zur Mittellinie des Lucite-Kopfes angeordnet. Die innere Kammer bestand aus einem zylindrischen Abschnitt, der koaxial zum Sprühkopf angeordnet war, mit einem Durchmesser von 6,35 mm. Ein konischer Übergang mit einem Winkel von 120

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verband die Kammer mit der 1 mm langen zylindrischen Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 1 mm.

Die Elektrodenmittellinie verlief senkrecht zur Kammer und 1 cm stromaufwärts von der Austrittsöffnungsfläche. Eine 0,64 mm dicke Scheibe aus rostfreiem Stahl mit einem äußeren Durchmesser von 31 mm und einem Loch mit einem Durchmesser von 6 mm, die mit der Austrittsöffnung fluchtete, bildete die äußere Elektrode 82.

Der Elektrode 38 wurde durch eine Hochspannungszuleitung (NJE), die in der Lage ist, bis zu 35 kV zuzuführen, Energie zugeleitet. Eine Vielzahl verschiedener Hochspannungswiderstände 72 wurde eingesetzt, um die Elektrode 64 mit der Erde zu verbinden. Die meisten Versuche wurden unter Verwendung von 3 in Reihe geschalteten 100 M-Q-Widerständen durchgeführt (R "-^ 33 1/3 M ^- ). Die äußere Elektrode 82 wurde mit der Erde über einen 15 ΜΛ Widerstand verbunden, der dazu diente, den Stromstoß im Falle eines Zusammenbrechens zu begrenzen.

Bei dieser Anordnung wurde die Ladungszufuhr auf den Bereich des Elektrodenzwischenraumes lokalisiert. Ungefähr 20 % des Flüssigkeitsstromes passierten den Zwischenraum, während der Rest außerhalb dieses Injektionsbereiches strömte. Die injizierte Ladung wurde durch Sammeln des Austrittsstromes in einem isolierten Metallbehälter von 15 cm Durchmesser bestimmt.

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Der obere Teil des Behälters befand sich etwa 15 cm unterhalb der Austrittsfläche. Der gesammelte Strom (I ) wurde mit einem Elektrometer gemessen.

Eine begrenzte Anzahl von Versuchen wurde mit dieser Vorrichtung durchgeführt. Die Ladungszufuhr wurde zunächst durch visuelle Beobachtung des Austrittsstrahls bewertet. Niedrige Werte von I (<S1O nA) machten eine quantitative Beurteilung dieses Parameters zu unsicher.

Mit R^' 33 1/2 M Q blieb der Austrittsstrahl bei angelegten Spannungen (Va) bis zu —' - 20 kV glasartig glatt (laminar) . Oberhalb dieses Wertes konnte ein Bereich der Turbulenz und des Zerreißens an der Stelle des Strahles, an der er in die Stahlwolle im Behälter eintritt, beobachtet werden. Wurde die Spannung über diesen Wert hinaus erhöht, dann wanderte der Bereich, indem sich der Strahl zerteilte, in Richtung des Kopfes, bis man bei der höchsten untersuchten Spannung (-27,5 kV) beobachtete, daß er ^*-" 3 cm unter dem Kopf begann.

Bei der maximalen Spannung hatte sich der untere Teil des Bereiches, in dem das Zerreißen des Strahles beobachtet wurde, auf einen Durchmesser von ~ · 4 mm ausgeweitet. Man beobachtete, daß der Strahl aus Tröpfchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm bestand. Versuche unter ähnlichen Bedingungen, bei denen aber der äußere Widerstand abgeschaltet

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war, so daß die Vorrichtung als Sprühdiode fungierte, ergaben grundlegend verschiedene Ergebnisse. Der Austrittsstrahl blieb glasartig glatt und stabförmig von der Austrittsfläche bis zum Eintritt in den Behälter, unabhängig von der Spannung, und zwar einschließlich bis zu der höchsten angelegten Spannung (-27,5 kV).

sy:bü:wo

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Claims (12)

UEXKÜLL & STOLBERG ΡΑΤΕΝΓΑ BESELERSTR/VJSE 4 2000 HAMBUPG 52 DR. J--D. FRHR. von UEXKÜLL DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE Exxon Research and (Prio: 21. November 1977 Engineering Company US 853 499 - 15362) Linden, N.J. / V.St.A. Hamburg, 17. November 1978 Elektrostatische Aufladungs- und Zerstäubungsvorrichtung und Verfahren zur elektrostatischen Aufladung eines nicht leitenden Mediums Patentansprüche

1.) Elektrostatische Aufladungs- und Zerstäubungsvorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von fließenden Medien,

-13 4 die eine Leitfähigkeit von 10 bis 10 S/m aufweisen, in eine Vielzahl von Tröpfchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 bis 1000 ,um, dadurch gekennzeichnet, daß sie

(a) ein Gehäuse mit einer darin befindlichen Kammer,

Cb) Mittel zur Injektion des fließenden Mediums in die Kammer,

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(c) ein Entladungssprühmxttel, das in Verbindung mit dem Gehäuse steht, zum Versprühen der Tröpfchen,

(d) im Inneren der Kammer angeordnete Elektrodenmittel, die in Berührung mit dem in der Kammer befindlichen fließenden Medium stehen, zum Anlegen eines freien Ladungsüberschusses in dem Medium und

(e) eine außen an dem Gehäuse angeordnete Masseelektrode, die mit den Elektrodenmitteln im Inneren der Kammer in elektrischer Verbindung steht,

umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Entladungsöffnung und Mittel zum Justieren der Größe der Entladungsöffnung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenmittel aus wenigstens einer ersten Elektrode und wenigstens einer zweiten Elektrode bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden parallel geschaltet sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden in Reihe geschaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode in der Kammer transversal angeordnet ist, wobei wenigstens ein Teil der ersten Elektrode in Spitzen-, Borsten- oder Kantenform vorliegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode transversal und unter der ersten Elektrode in der Kammer angeordnet ist und wenigstens eine Fläche der zweiten Elektrode in stumpfer Form vorliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode als leitfähiger Ring ausgebildet ist, der außen und rings um das Entladungssprühmittel angeordnet ist, wobei eine Achse des Ringes kollinear auf das Entladungssprühmittel eingestellt ist.

9. Verfahren zur elektrostatischen Aufladung eines fließen-

-13 4 den Mediums mit einer Leitfähigkeit von 10 bis 10 S/m und zum elektrostatischen Zerstäuben des aufgeladenen Mediums in eine Vielzahl von aufgeladenen Tröpfchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 1 mm, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: 909823/0004

-A-

(a) Injizieren des fließenden Mediums in eine Kammer,

(b) Anlegen einer elektrischen Ladung auf das in der Kammer befindliche Medium, wobei eine Versprühung des Mediums erfolgt,

(c) Emittieren des zerstäubten Mediums aus der Kammer in Form geladener Teilchen und

(d) Lenken der gebildeten, geladenen Teilchen gegen eine dritte Elektrode, die ein abweichendes Potential aufweist und außen an dem die Kammer enthaltenden Gehäuse angeordnet ist, zur Erzeugung eines starken elektrischen Feldes mit diesem Entladungssprühmittel in dem Medium, wobei das elektrische Feld durch eine Spannungsdifferenz zwischen dem Medium und der dritten (äußeren) Elektrode erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konvektionsströmungsgeschwindigkeit des fließenden Mediums vorgesehen ist, die höher ist als eine mobilitätsgesteuerte Stromdurchgangsgeschwindigkeit eines Stromes in der Kammer, wobei die in dem Medium erzeugte Ladung auf das Entladungssprühmittel übertragen wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konvektionsströmungsgeschwindigkeit des fließenden Mediums vorgesehen ist, die gleich oder geringer als eine mobilitätsgesteuerte Stromdurchgangsgeschwindigkeit eines Stromes in der Kammer ist, wobei die in dem Medium erzeugte Ladung auf das Entladungssprühmittel übertragen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Ladungsstrom kollinear zu dem Medienstrom in der Kammer fließt.

S09823/Ö8Ö4