DE3609698A1 - Vorrichtung und verfahren zur ionisierung oder neutralisation eines gasstroms und der in ihm enthaltenen partikel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasionisierungs- und/oder Neutralisierungsvorrichtung, in der die Sprühelektroden in Form von Verzahnungen, Spitzen, Stiften oder Sprühdrähten oder andere Formen haben können, die an ein hohes elektrisches Potential angeschlossen, dank des Korona Phänomens, sich elektrisch entladen und in unmittelbarer Nähe eine Plasmaschicht mit einer hohen Dichte von elektrischen Ladungsträgern, wie Ionen, Elektronen, Photonen u. a. erzeugen.

Die Ladungsträger aus der Plasmaschicht, z. B. Ionen von Sprühelektroden, angeschlossen an ein Potential entgegengesetzter Polarität, werden zur Oberfläche der Sprühelektroden wandern. Die Ladungsträger gleicher Polarität mit den Sprühelektroden werden von diesen abgestoßen, aus der Plasmaschicht herausgezogen und zu den Gegenelektroden umgekehrter Polarität als diejenige der Sprühelektroden wandern.

Folglich wird im Raum zwischen den Sprühelektroden und den Gegenelektroden eine große Dichte von Ionen und anderen Ladungsträgern gleicher Polarität mit dem Potential der Sprühelektroden entstehen.

Durchströmt diese Zonen sehr hoher Ionendichte gleicher Polarität ein Gasstrom, der Partikel enthält, so werden sich die Ionen auf der Oberfläche dieser Partikel fixieren und sie elektrisch aufladen.

Beim Austritt des Gases aus dieser Zone, Ionisierungszone genannt, werden die Partikel stark elektrisch aufgeladen.

Die beschriebene Vorrichtung ist eine sogenannte Ionisierungsstufe aller elektrischer Gasabscheidevorrichtungen mit zwei Stufen. Nach der Ionisierungsstufe strömt das Gas mit den elektrisch aufgeladenen Partikeln in eine zweite Stufe, den sogenannten Kollektor, wo zwischen parallelen Platten von unterschiedlichen Potentialen ein intensives elektrisches Feld existiert, ähnlich wie in einem Kondensator. Dank der Kräfte zwischen dem elektrischen Feld und der aufgeladenen Partikel werden diese aus dem Gasstrom entzogen und auf den Kollektorplatten abgeschieden, wobei eine hochwirksame Gasfiltration entsteht.

Keine elektrische Gasabscheidevorrichtung (oder Elektrofilter) kann alle elektrisch geladenen Partikel aus dem filtrierten Gas abscheiden.

Ein kleiner Teil von Feststoffpartikeln zusammen mit einer Anzahl von Ionen treten aus dem Kollektor aus und verbreiten sich im Raum und bilden die sogenannte elektrische Raumladung. Die Auswirkungen der Raumladung sind unerwünscht und sogar schädlich. Z. B. alle glatten Oberflächen verschmutzen schnell, einige Gegenstände laden sich stark elektrostatisch auf und der Einschluß der Raumladung auf das menschliche Wesen kann schädlich sein. Veränderungen des Herzrhythmus, Kreislaufstörungen, Kopfschmerzen, Verlangsamen der Reflexe u. a.

Zur Herabsetzung der durch ein Elektrofilter erzeugten Raumladung bietet der gegenwärtige Stand der Technik einige Lösungen, die aber kompliziert und teuer sind.

Eine der Methoden wird in der D.P. 27 34 133 und eine andere in der US. 41 62 144 beschrieben. Die in diesen beiden Patenten beschriebenen Methoden sind aber aufwendig, kompliziert und für geringe Anwendungsmöglichkeiten geeignet.

So z. B. in D.P. 27 34 133: Zur Neutralisierung der Raumladung wird noch eine Ionisationsstufe verwendet, die am Austritt der Luft aus dem Kollektor angeordnet ist. Die Lösung ist wirtschaftlich nicht effizient, weil diese Stufe eine zusätzliche Hochspannungsversorgung mit Wechselspannung benötigt. Außerdem erzeugt die zweite Stufe zusätzlich Ozon und NOx, die für das menschliche Wesen schädlich sind.

In US. Pat. 41 62 144 wird zur Neutralisierung der Raumladung die filtrierte Luft von zwei Elektrofiltern vermischt, die mit Hochspannungen unterschiedlicher Polaritäten elektrisiert werden, also ein Elektrofilter das positive Raumladung erzeugt und ein zweites Elektrofilter, das negative Raumladung erzeugt. Durch die Vermischung werden beide Raumladungen neutralisiert.

Diese Methode ist teuer und aufwendig, weil stets zwei Elektrofiltergeräte benötigt werden. Auch in diesem Fall wächst die Ozon und NOx Menge auf unerwünschte Werte an.

Es sind auch passive Methoden bekannt, wie die Benutzung von Gitterelektroden in Form eines geerdeten Lochblechs, die aber eine sehr niedrige Wirkung erzielen.

Auch sind Methoden zur Herabsetzung der Raumladung bekannt, wobei radioaktive Stoffe zum Einsatz kommen, die neutralisierende Strahlungen ausstrahlen, jedoch wie bekannt, sehr gefährlich für das menschliche Wesen sind.

Vorliegende Erfindung zeigt eine neue Möglichkeit die über den bekannten gegenwärtigen Stand der Technik hinausgeht und auf dem Gebiet der Neutralisierung der Raumladung mit zusätzlicher Funktion als Vorabscheider, mit wirtschaftlichen Vorteilen und einfach in der Anwendung ist. Das Verfahren dieser Erfindung bietet die Möglichkeit doppelpolare Ionisatoren zu bauen, also Ionengeneratoren beider Polaritäten in getrennten Zonen, mit Plusionen in Plus-Zonen und Minusionen in Minus-Zonen mit Hilfe einer einzigen Hochspannungsquelle, die entweder positives oder negatives Potential erzeugen.

Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, daß die Vorrichtung nicht nur auf neuentwickelten Gasabscheidevorrichtungen oder Ionisatoren angewendet werden kann, sondern sich auch auf bereits gebaute und in Betrieb befindliche Systeme nachrüsten läßt.

Sehr wichtig ist auch eine weitere Eigenschaft der vorliegende Erfindung und zwar diejenige, daß mit einer einfachen Konstruktion und auf wirtschaftliche Weise Ionenvorhänge verschiedener Polaritäten für vielfache Anwendungsbereiche, sowohl in der Luftfiltertechnik als auch zur Vermeidung einer elektrostatischen Raumladung in verschiedenen Gebieten der Industrie z. B. für EDV-Räume und Fertigungsräume der Mikroelektronik erzeugt werden können.

In der folgenden Beschreibung wird das Funktionsprinzip der Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Ionisator bestehend aus Sprühelektrode 1 und Gegenelektrode 2, bei dem in der Stufe A die Sprühelektroden 1 an ein positive Potential 3 angeschlossen ist. Als Zwischenstufe B wird ein Kollektor 4 gezeigt und als Stufe C wieder ein Ionisator jedoch im Gegensatz zu Stufe A mit entgegengesetzt gepolter Sprühelektrode 1 und Gegenelektrode 2.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung bei der die Elektrodenplatten parallel zueinander angeordnet sind, und bei denen an den Schnittkanten 5 der Elektrodenplatten eine Verzahnung 6, Spitzen 7, Stifte 8 oder ein Sprühdraht 9 befestigt werden kann, von denen die Ionen in Richtung der benachbarten Gegenelektrode 2 wandern.

Fig. 3 zeigt eine zylindrische Vorrichtung mit axial angeordneten, unterschiedlich langen Rohren, bei denen die Schnittkanten 5 wie bei Fig. 2 mit einer Verzahnung 6, Spitzen 7, Stifte 8 ausgerüstet sind, von denen die Ionen in Richtung der benachbarten längeren Zylinder- Gegenelektrode 2 wandern.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung ähnlich wie Fig. 3 jedoch mit umgekehrt langen zylindrischen Baueinheiten.

Fig. 5 und 6 zeigen eine zylindrische Vorrichtung wie Fig. 3 und 4 mit der Funktion eines Vorabscheiders, bei der der Gasstrom in umgekehrter Richtung die Vorrichtung durchströmt und bei der die Gegenelektroden und deren Flächen der Vorrichtung eine Doppelfunktion als Sprühelektrode und Kollektor haben, an denen die Staubpartikel 10 abgelagert werden.

In Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem zwei Ionisierungszonen unterschiedlicher Polarität nacheinander angeordnet sind, so daß der Gasstrom zuerst durch die Zone A danach durch den Kollektor 4, Zone B und dann die Zone C durchströmt.

Die Zone A ist ein Ionisator, dessen Sprühelektroden 1 positive Ionen erzeugen, die die Feststoffteilchen aus dem Gasstrom mit positiven Ladungen ausrichten.

Die Sprühelektroden 1 können in Form einer Verzahnung, mit Spitzen, mit Stiften, oder mit einem Sprühdraht oder eine andere Form haben, die konzentriert elektrische Feldlinien und eine Koronaentladung erzeugen.

Die Gegenelektroden 2 sind geerdete Platten oder Rohre oder andere geometrische Formen. Die unfiltrierten, aber positiv geladenen Partikel, die aus dem Kollektor 4 austreten, sowie auch andere positive Ladungsträger durchströmen einen zweiten Ionisator C, Ausführungsidentisch mit dem ersten Ionisator A.

Im zweiten Ionisator C sind die aktiven Elektroden oder Sprühelektroden 1 geerdet, während die Gegenelektroden 2 an dem gleichen Potential wie die Sprühelektroden 1 aus dem Ionisator A angeschlossen sind. Folglich werden in Zone C aus der in Sprühelektrodennähe gebildeten Plasmaschicht die negativen Ionen herausgezogen und von den positiven Gegenelektroden 2 angezogen.

In der zweiten Zone, im zweiten Ionisator wird es obwohl mit gleicher Polarität versehen, wie die erste Zone im Raum zwischen den Sprühelektroden 1 und Gegenelektroden 2 negative Ionen geben. Diese negativen Ionen werden sich auf den positiv geladenen Teilchen fixieren und ihre elektrische Ladung aufheben, neutralisieren.

Die negativen Ionen werden sich auch mit den positiven Ionen die in der filtrierten Luft enthalten sind verbinden und gegenseitig aufheben, neutralisieren.

Folglich wird nach der zweiten Zone C der Gasstrom elektrisch entladen sein und keine Raumladung mehr erzeugen können. Die Neutralisierungswirksamkeit der zweiten Zone C kann sowohl aus dem angewandten Potentialwert als auch durch Änderung des Abstandes zwischen den Sprühelektroden 1 und den Gegenelektroden 2 oder durch Änderung der Sprühelektrodenzahl geregelt werden.

Dank dieser Regelung ist es möglich in der zweiten Zone C so viele negative Zonen zu erzeugen, die zur Aufhebung der im Gasstrom existierenden positiven Ladungen notwendig sind. Hierdurch ist es möglich eine Gasentladung mit geringen Ozon und NOx Mengen zu erzeugen.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist der, daß in der zweiten Zone C gemäß Anspruch 1 die Polarität der Elektroden im Vergleich zur ersten Zone A umgekehrt ist, ohne eine zusätzliche Hochspannungsquelle 3 zu benötigen.

Die Spannungsversorgung wird in diesem Fall von einer einzigen Hochspannungsquelle gewährleistet.

Durch weitere Vergrößerung der Wirksamkeit der Zone C kann mit der Vorrichtung der Prozeß der Ionisierung eines Gasstroms ganz umgekehrt werden.

Es kann nicht nur die positive Raumladung aufgehoben werden sondern es kann auch eine überwiegend negative Raumladung erzeugt werden, falls es die Lage verlangt.

In Fig. 2 wird eine Ausführung der Erfindung beschrieben in der die positiven und negativen Zonen parallel nebeneinander angeordnet sind, so daß der Gasstrom gleichzeitig durch mehrere Zonen strömen kann. Am Vorrichtungsausgang strömt das Gas aus den Zonen in Form von positiv und negativ aufgeladenen Schichten heraus. Jede Elektrode kann gleichzeitig Sprühelektrode 1 und Gegenelektrode 2 sein.

Die Schnittkanten 5 der Elektroden am Gausaustritt sind mit Verzahnungen 6, Spitzen 7, Stiften 8 oder mit Sprühdrähten 9 versehen, und sie sind Entladungsquellen. Folglich werden in den Zonen (+) ein Gasstrom mit positiven Ionen und in den Zonen (-) mit negativen Ionen erzeugt.

Die Spannungsversorgung wird von einer Hochspannungsquelle gewährleistet.

Als Ergebnis wird der Gasstrom bei Austritt aus der Vorrichtung abwechselnd positiv und negativ in Form von aufgeladenen Schichten herausströmen.

Die Ausführung wird eine wichtige Rolle bei Der Anwendung als Neutralisator von elektrischen Ladungen in den Einsatzgebieten wie z. B. in Produktionsräume für mikroelektronische Bauelemente haben.

Die unerwünschten Auswirkungen elektrostatischer Ladungen auf Produkte der Mikroelektronik und die Notwendigkeit der ständigen Beseitigung dieser elektrostatischen Ladungen sind bekannt und können mit dieser Erfindung wirksam beseitigt werden.

Der gegenwärtige Stand der Technik bietet eine unwirksame Lösung und zwar die Anwendung von Ionisatoren, die mit einer Wechselspannung versorgt und bei der mit jeder Halbwelle Ionen unterschiedlicher Polarität erzeugt werden. Diese positiven und negativen Ionenlawinen werden von einem laminaren Luftstrom zu den Objekten die elektrisch entladen werden sollen, transportiert. Wegen der intervallartigen Erzeugung von Ionen kommt es zu Vermischungen im Gasstrom, wobei sich die positiven Ionen mit den negativen Ionen zum großen Teil gegenseitig neutralisieren.

Bei großen Abständen zum Objekt wird die Wirksamkeit des Ionisators stark reduziert. In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Aufhebung von Ladungen wirksam verhindert werden kann. Der Ionisator erzeugt Ionenschichten, die in erheblich größeren Abständen zum Objekt wirksam sind.

In Fig. 3 wird eine weitere Ausführung der Vorrichtung dargestellt. In diesem Fall befinden sich die positiven Zonen und die negativen Zonen zwischen den axial angeordneten Zylindern, so daß der Gasstrom gleichmäßig durch alle Zonen, also zwischen den konzentrisch angeordneten Zylindern hindurchströmt.

Beim Gasaustritt aus der Vorrichtung erhält man konzentrisch, zylindrische Schichten von positiven und negativen Ionen.

In der genannten Ausführung ist in jede Elektrode ein leitfähiger Metallzylinder, eingeführt zwischen zwei anderen Zylindern, die an der Gasausströmkante mit Verzahnungen 6, Spitzen 7, Stiften 8 oder Sprühdrähten 9 versehen sind.

Weiterhin ist ersichtlich, daß alle inneren Zylinder im Durchmesser und in der Länge abgestuft kleiner sind und vom Außenzylinder umschlossen werden.

In Fig. 4 wird eine umgekehrte Anwendung der Vorrichtung wie in Fig. 3 gezeigt, wobei um den langen, inneren Zylinder alle anderen äußeren, kürzeren Zylinder abgestuft angeordnet sind. Auch diese Zylinder können am Gasaustrittsende den Schnittkanten 5, Verzahnungen 6, Spitzen 7, Stifte 8 oder andere Formen haben.

Die axial angeordneten Zylinder sind an verschiedene Potentiale angeschlossen.

Auch in dieser Ausführung ist jede Elektrode auf einem seiner Abschnitte Sprühelektrode und auf einem seiner anderen Abschnitte Gegenelektrode 2.

In den Fig. 5 und 6 werden die Ausführungen ähnlich wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Der Gasstrom zwischen den Elektroden durchströmt die Vorrichtungen in umgekehrter Richtung. In diesem speziellen Fall haben die Elektroden eine Doppelfunktion. Sie erhalten die Funktion eines Kollektors und im Randbereich der Zylinder die Funktion einer Sprühelektrode.

Eine erhebliche Anzahl von elektrisch geladenen Teilchen wird auf den Oberflächen der Gegenelektroden 2 fixiert.

Die Vorrichtungsbeispiele in Fig. 5 und 6 zeigen eine komplette Gasabscheidevorrichtung, in der in dem Gaseintrittsabschnitt eine Ionisatorwirkung und im folgenden Abschnitt bis zum Gasaustritt eine Kollektorwirkung vorhanden ist.

Die Vorrichtungen 5 und 6 haben somit nicht nur die Funktion als Gerät zur Neutralisierung eines Gasstroms, sondern sind gleichzeitig auch Partikelvorabscheider.

•  1 Sprühelektrode
   2 Gegenelektrode
   3 Hochspannungsquelle
   4 Partikelabscheidevorrichtung
   5 Schnittkanten
   6 Verzahnung
   7 Spitzen
   8 Stifte
   9 Sprühdraht
  10 Staubpartikel

Claims (6)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Ionisierung oder Neutralisierung eines Gasstroms und der in ihm befindlichen Partikel durch Erzeugung von positiven Ionen in positiv geladenen Zonen, (+) und negativen Ionen in negativ geladenen Zonen (-) mit Hilfe von Sprühelektroden (1) und Gegenelektroden (2), bei der die Schnittkanten (5) der Sprühelektroden (2) mit einer Verzahnung (6), mit Spitzen (7), Stiften (8) oder mit Sprühdrähten (9) ausgerüstet sein können, wobei die positiven oder negativen Zonen gegeneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühelektroden (1) Ionenerzeuger der Zonen oder Zone gleicher Polarität und die Gegenelektroden (2) der Zonen oder Zone mit umgekehrter Polarität am Potential mit gleicher oder unterschiedlicher Höhe, aber mit gleicher Polarität angelegt werden, wobei die Sprühelektroden (1) und die Gegenelektroden (2) gegenseitig isoliert und getrennte separate Bauteile bilden oder jede Elektrode gleichzeitig Sprühelektrode (1) für eine Zone einer bestimmten Polarität und Gegenelektrode (2) für eine benachbarte Zone mit entgegengesetzter Polarität sein kann, wobei die positiv ionisierten Zonen (+) und die negativ ionisierten Zonen beim Durchqueren des Gasstroms nacheinander angeordnet sind, so daß der Gasstrom der Reihe nach durch Zonen unterschiedlicher Polarität oder durch nebeneinander oder konzentrisch ineinander angeordnete Systeme durchströmen kann.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die positiven Zonen (+) und die negativen Zonen (-) mit gleichem oder unterschiedlichem Potential jedoch von derselben Hochspannungsquelle (3) versorgt werden.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß der aus den positiven Zonen (+) positiv geladene Gasstrom und der aus den negativen Zonen (-) negativ geladene Gasstrom beim Austritt aus der Vorrichtung, die eine rechteckige oder eine zylindrische oder eine andere geometrische Anordnung sein kann, in Gasschichten mit unterschiedlicher Polarität herausströmt.

4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den nacheinander angeordneten positiv geladenen und den negativ geladenen Zonen eine elektrostatische Partikelabscheidevorrichtung zur Trennung von Feststoffpartikeln aus den Gasströmen entsteht.

5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinander oder konzentrisch ineinander angeordnete positive Ionisierungszonen und negative Ionisierungszonen entstehen, die die Funktionen einer doppelionisierenden Stufe eines elektrostatischen Partikelabscheiders haben, der aus dem hindurchströmenden Gasstrom Staubpartikel (10) eliminiert und damit die Funktion eines elektrostatischen Vorabscheiders erfüllt.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß sich die positiven und die negativen Zonen nebeneinander oder konzentrisch zylindrisch innerhalb der Vorrichtung befinden, so daß der Gasstrom gleichmäßig durch alle Zonen geleitet wird, wobei jede Elektrode auf einer seiner Seiten eine längere Gegenelektrode (2) als sie selbst und auf der anderen Seite eine kürzere hat.