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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für rohrförmige Ozon-Generatoren.
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Ozon-Generatoren rohrförmiger Bauart besitzen eine bestimmte Anzahl von Elementen, die parallel zueinander angeordnet sind und im allgemeinen ein dielektrisches Rohr aus Glas aufweisen, das innen mit einer leitenden Metallschicht überzogen und das koaxial in einem Metallzylinder angeordnet ist, wobei ein konstanter Abstand, die sogenannte Entladungsstrecke, zwischen den beiden Rohren ausgebildet ist.
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Das dielektrische Rohr ist ein Glaszylinder mit konstanter Dicke, der an einem seiner Enden durch einen Boden in Form einer sphärischen Kalotte oder eines Konus oder auch durch einen ebenen Boden abgeschlossen ist, während er an seinem anderen Ende offen ist; die Metallschicht endet in einem bestimmten Abstand von diesem Ende, das eine gewellte Form aufweisen kann, um den isolierenden Teil des Glasrohres zu verlängern.
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Diese Anordnung bildet einen Kondensator mit zwei Dielektrika, von denen das eine, nämlich das Glas, fest ausgebildet ist, während das andere, nämlich die Entladungsstrecke, gasförmig ausgebildet ist; ferner bestehen bei dieser einen Kondensator bildenden Anordnung die Kondensatorbelegungen aus dem auf die Innenoberfläche des Glasrohres aufgebrachten Metall und dem es umgebenden Metallrohr.
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Bei dieser Art von Generator ist es üblich, die Anordnung des Glasrohres und der inneren metallischen Belegung als "Elektrode hoher Spannung" und das sie umgebende Metallrohr als "Elektrode niedriger Spannung" oder "Masselektrode" zu bezeichnen.
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Bei einer zum Stande der Technik gehörenden Ausführungsform ist die Elektrode hoher Spannung über ein metallisches Verbindungsteil in Form einer Kontaktbürste an die Klemme hoher Spannung einer Wechselstromquelle angeschlossen, deren Frequenz in unveränderter Form die des Netzes oder jede andere Frequenz aus dem Bereich der mittleren oder hohen Frequenzen sein kann, d. h. ungefähr zwischen 50 und 5000 Hz liegen, während die Klemme niedriger Spannung an die Erde angeschlossen ist. Die Elektrode niedriger Spannung liegt über die Masse des Ozon-Generators ebenfalls auf Erdpotential.
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Im Entladungsintervall bzw. im Bereich der Entladungsstrecke kann man einen Luftstrom oder Sauerstoffstrom permanent zirkulieren lassen, und unter der Wirkung des hohen Potentials, das an die Elektrode hoher Spannung angelegt ist, tritt ab einer bestimmten Spannung der Effekt einer Sprüh- oder Koronaentladung auf, der dazu führt, daß ein Teil des im Entladungsraum bzw. in der Entladungsstrecke enthaltenen Sauerstoffs zu Ozon umgewandelt wird.
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Bei einer Vorrichtung dieser Art ist die Herstellung von Ozon für einen konstanten Gasdurchsatz, für einen konstanten Druck und für eine vorgegebene Entladungsstrecke selbstverständlich eine Funktion, die mit der Spannung ansteigt, die man zwischen den Elektroden anlegen kann. Der Maximalwert dieser Spannung ist somit, wenn man übliche Elektroden hoher Spannung der oben beschriebenen Art verwendet, auf einen Wert begrenzt, der niedriger liegt, als der theoretisch erreichbare Wert. Tatsächlich ist es so, daß ab einem bestimmten Wert des Potentials, das an die Elektrode hoher Spannung angelegt wird, an den Konzentrationspunkten der Kraftlinien des dabei entstehenden elektrischen Feldes Störeffekte auftreten, die in der Elektrostatik unter der Bezeichnung Spitzeneffekte bekannt sind und die sich in Form von Funkenemissionen, die auch als Büschelentladungen bezeichnet werden, übertragen.
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Das Auftreten von derartigen Funken oder Büscheln impliziert eine Abnahme der Leistungsfähigkeit des Ozon-Generators, da diese Funken nicht zur Bildung von Ozon beitragen. Ferner kann eine derartige Energiekonzentration zu lokalen Beeinträchtigungen der Materialien führen und einen Kurzschluß hervorrufen, der den Betrieb der Vorrichtung oberhalb einer bestimmten Potentialdifferenz, von beispielsweise 20 000 Volt, verhindert.
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Bei den oben beschriebenen rohrförmigen Ozon-Generatoren tritt dieses Phänomen am offenen Ende der Elektrode hoher Spannung auf der Höhe der Kante der inneren Metallschicht des dielektrischen Glasrohres auf, wobei die Ausgangspunkte zwischen dem Ende dieser Metallschicht und der Masseelektrode liegen.
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Um den Schwellwert des Potentials für das Auftreten des Spitzeneffektes zurückzudrängen, hat man bereits daran gedacht, im Inneren des Glasrohres einen Metallring anzuordnen, der die leitende Metallschicht verlängert und der gekrümmt ausgebildet ist, wobei seine Konkavität der Innenseite des Rohres zugewendet ist, so daß das Ende des leitenden Teiles auf diese Weise entfernt von der Elektrode niedriger Spannung angeordnet ist. Das Phänomen der Büschelbildung kann dann nur bei einer größeren angelegten Spannung auftreten als derjenigen, die diesen Effekt in Abwesenheit des Ringes hervorruft.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrode für einen Ozon-Generator anzugeben, die unter Beseitigung der Störeffekte, wie sie beispielswseise in Form von Funken oder Büscheln auftreten, eine besonders gute Erzeugung von Ozon ermöglicht. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Elektrode es ermöglicht, die Bildung von Büscheln oder Funken in besonders wirksamer Weise zu unterdrücken.
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Die erfindungsgemäße Elektrode hoher Spannung für rohrförmige Ozon-Generatoren, die zwei an die Klemmen einer Wechselspannungsquelle hoher Spannung angeschlossene zylindrische Elektroden aufweisen, besteht aus einem an einem seiner Enden offenen dielektrischen Rohr, das mit einer zylindrischen Metallbelegung versehen ist, die den größeren Teil seiner Innenwand überdeckt, zeichnet sich dadurch aus, daß diese Innenbelegung an der Seite des offenen Endes des dielektrischen Rohres durch eine Metallkalotte abgeschlossen ist, die ein konisches Teil und ein sphärisches Teil besitzt, wobei die konkave Seite der Innenseite des Glasrohres zugewendet und die Spitze der Kalotte über ein Verbindungsteil an eine Wechselspannungsquelle hoher Spannung angeschlossen ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode ist die Kalotte lösbar und beweglich angeordnet und besitzt auf ihrer offenen Seite ein mit Schlitzen versehenes zylindrisches Teil, das in die Metallbelegung genau hineinpaßt und in diese einsteckbar ist.
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Im Falle einer herkömmlichen Elektrode hoher Spannung für einen Ozon-Generator rohrförmiger Bauart, wobei die Belegung der Elektrode aus einer leitenden Metallschicht besteht, die die Innenseite des dielektrischen Glasrohres auskleidet, kann man gemäß der Erfindung die Kontinuität dieser Belegung und der sphäro-konischen Kalotte mittels eines offenen Metallzylinders gewährleistet, der ohne Diskontinuität an das konische Teil anschließt. Die Form der Kalotte wird in der Weise ausgebildet, daß sie so genau wie möglich an die Äquipotentiallinien anschließt, die sich nach dem Anlegen der Hochspannung zwischen den Elektroden des Ozon-Generators ausbilden, und zwar in dem dem Ende der Metallbelegung benachbarten Raum, der der offenen Seite des dielektrischen Rohres zugewendet ist.
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Man bestimmt die Länge des konischen Teils und den Radius des sphärischen Teils in der Weise, daß man jegliche Konzentration von Kraft- oder Feldlinien vermeidet. Dieser Zylinder sowie ein Teil des sphäro-konischen Elementes sind mit einer bestimmten Anzahl von Schlitzen längs ihrer Mantellinien versehen, um eine Reihe von Lamellen identischer Abmessungen bilden, welche aufgrund ihrer Elastizität die Kalotte in Kontakt mit der Metallschicht halten und die Kontinuität der Belegung gewährleisten, die auf diese Weise mit sich selbst abschließt.
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Um ein homogenes elektrisches Feld im Inneren der sphäro- konischen Kalotte zu erzielen, muß der Abstand zwischen den Lamellen schmal genug gehalten sein. In der Praxis stellt sich heraus, daß die maximale Breite der Schlitze ungefähr 4,5 mm beträgt, während die Anzahl der Lamellen eine geringe Bedeutung besitzt, unter der Voraussetzung, daß ein guter Kontakt zwischen der Metallbelegung und der Kalotte gewährleistet ist.
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Die Kalotte wird vorzugsweise aus sorgfältig poliertem Metall hergestellt, das vorher in der Weise behandelt worden ist, daß es eine gute Elastizität besitzt; seine Dicke beträgt einige Zehntel Millimeter. Als Metall kann man sämtliche Werkstoffe verwenden, die widerstandsfähig gegenüber der Korrosionswirkung des Ozons sind, wie z. B. nicht oxidierbarer Stahl, Aluminium und Titan.
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Das Hauptresultat, das sich durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrode erzielen läßt, ist die Beseitigung von Büschel- und Funkenentladungen: Tatsächlich ist es so, daß die erfindungsgemäße Elektrode auf dem Niveau seiner Belegung ein homogenes elektrisches Feld definiert, und zwar aufgrund der Geometrie des Endteiles dieser Belegung, die die Form einer geschlossenen Oberfläche ohne Diskontinuität und ohne Unebenheiten oder Rauhigkeit aufweist und somit jegliche Ansammlung von elektrischen Ladungen unmöglich macht, so daß sie die vollständige Unterdrückung von Büschel- und Funkeneffekten ermöglicht, und zwar für solche Betriebsspannungen, die ganz in der Nähe der maximalen theoretischen Spannung liegen.
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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrode ermöglicht es ferner, die Kontaktbürsten in Wegfall zu bringen, die bisher üblicherweise dazu verwendet wurden, um die die Innenseite des dielektrischen Rohres einer herkömmlichen Elektrode auskleidende Metallschicht mit der Hochspannungsquelle zu verbinden, da bei der erfindungsgemäßen Elektrode die Spitze der geschlossenen Oberfläche der Belegung der neuen Elektrode direkt an diese Hochspannungsquelle angeschlossen ist.
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Ein weiteres wichtiges Ergebnis, das sich mit der erfindungsgemäßen Elektrode erzielen läßt, ist wirtschaftlicher Art, da die Ausbildung eines homogeneren und besser verteilten elektrischen Feldes als bei einer herkömmlichen Elektrode es ermöglicht, das wellenförmige Teil des dielektrischen Rohres in Wegfall zu bringen und die Länge des isolierenden Teiles dieses Rohres zu verringern. Mit der erfindungsgemäßen Elektrode steht somit eine funktionsfähige Elektrode zur Verfügung, die ein dielektrisches Glasrohr aufweist, dessen isolierender Teil keine Wellen besitzt und eine reduzierte Länge von ungefähr 9 cm aufweist anstatt 18 cm wie bisher.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung sowie im Vergleich zu bekannten Anordnungen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
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Fig. 1 eine herkömmliche Hochspannungselektrode, die koaxial im Inneren einer zylindrischen Masseelektrode angeordnet ist;
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Fig. 2 eine erfindungsgemäße Hochspannungselektrode, die ebenfalls koaxial in einer Masseelektrode angeordnet ist; und in
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Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Kalotte der erfindungsgemäßen Elektrode.
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Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Hochspannungselektrode, bestehend aus einem dielektrischen Glasrohr 1, das an seinem Ende 2 abgeschlossen und offen an seinem anderen Ende 3 ausgebildet ist, das Wellen 4 sowie eine Innenbelegung oder einen Innenmantel aufweist, der aus einer leitenden Metallbeschichtung 5 besteht, die sich bis zu einem bestimmten Abstand vom Ende des Rohres erstreckt, um eine ausreichende Isolierlänge mit der Masseelektrode 6 auszubilden. Diese Masseelektrode 6 besteht aus einem koaxial zur Hochspannungselektrode angeordneten Metallrohr, wobei der Abstand zwischen den beiden Elektroden einen Entladungsraum oder eine Entladungsstrecke 7 definiert.
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Die Belegung 5 der Hochspannungselektrode ist über eine Kontaktbürste 8 an einer Hochspannungsquelle angeschlossen. Die Masseelektrode 6 liegt auf Erdepotential.
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Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Hochspannungselektrode, bestehend aus einem Glasrohr 9, das geschlossen an seinem Ende 10 und offen an seinem anderen Ende 11 ausgebildet ist und eine Innenbelegung aufweist, die in ihrem ersten Teil 12 aus einer leitenden Metallschicht und ihrem Endteil 13 aus einer geschlossenen sphäro-konischen Fläche besteht, deren Spitze über ein Verbindungsteil 14 an die Hochspannungsquelle angeschlossen ist.
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Wie bei der herkömmlichen Konfiguration ist diese Hochspannungselektrode von einer Masseelektrode 15 umgeben, wobei der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden einen Entladungsraum oder eine Entladungsstrecke 16 definiert.
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Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung das Endteil der Belegung der Hochspannungselektrode. Dieses ist mit einem zylindrischen Teil 17 und einem sphäro-konischen Teil 18 versehen, wobei der Anschluß oder die Verbindung dieser beiden Teile eine abgerundete Kante 19 aufweist, um jegliche Konzentration von Kraft- oder Feldlinien zu vermeiden. Das zylindrische Teil 17 und das konische Teil 20 sind mit Einschnitten längs einer bestimmten Anzahl von Mantellinien versehen, um eine Reihe von Lamellen 21 mit gleichen Abmessungen auszubilden, wobei die Anzahl und die Verteilung dieser Lamellen in Abhängigkeit von Parametern des elektrsichen Feldes bestimmt sind.
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Die Spitze der Kugel ist durchbohrt, um ein Anschlußteil 22 zum Anschluß an die Hochspannungsquelle aufzunehmen.
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Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Elektrode werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.
Ausführungsbeispiel
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Man verwendet einen rohrförmigen Ozon-Generator bekannter Bauart, der mit sieben identischen Masseelektroden und sieben Hochspannungselektroden gleichen Durchmessers ausgerüstet ist, von denen fünf von herkömmlicher Bauart sind, während die anderen beiden gemäß der Erfindung ausgestaltet sind.
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Letztere werden jeweils aus einem zylindrischen Glasrohr hergestellt, bei dem der Außendurchmesser ungefähr 74, 2 mm und die Dicke ungefähr 1,6 mm beträgt, wobei eines der Enden offen und das andere geschlossen ausgebildet ist. Die Belegung im Inneren des Rohres besteht aus einer Aluminiumschicht, die auf der Seite des offenen Endes des Rohres mit einer sphäro-konischen Kalotte aus nicht oxidierbarem Stahl verlängert ist, die folgende Eigenschaften aufweist:
Durchmesser der Kugel 50,8 mm, Durchmesser der großen Basis des Kegelstumpfes 73,6 mm, Länge des konischen Teiles 42 mm. Die Kontinuität der Belegung wird durch einen Kontaktzylinder mit 40 mm Länge gewährleistet, der den Kegelstumpf verlängert. Die Schlitze erstrecken sich über die gesamte Länge des zylindrischen Teiles und über zwei Drittel der Länge des konischen Teiles. Dabei sind 22 identische Schlitze mit einer Breite von 3 mm vorgesehen.
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Es wird eine Wechselspannung von 50 Hz an die Elektrode angelegt, und zwar mit einem wirksamen Wert von 14 kV, den man dann auf 24 kV ansteigen läßt. Ab einem Wert von ungefähr 16 kV beobachtet man eine leichte Funken- oder Büschelbildung an den herkömmlichen Elektroden. An den erfindungsgemäßen Elektroden tritt demgegenüber keine Funken- oder Büschelbildung bis zu einer effektiven Spannung von 24 kV auf, die einer Spitzenspannung von 40,8 kV entspricht.