CH670171A5 - - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem von einer metallischen Elektrode und "einem Dielektrikum zumindest teilweise begrenzten, mit einem Füllmedium gefüllten Entladungsraum, welches Dielektrikum auf seiner dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche mit einer weiteren Elektrode versehen ist, und einer Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung sowie mit Mitteln zur Leitung der durch stille elektrische Entladung erzeugten Strahlung in einen Aussenraum.
Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der Veröffentlichung «Vacuum-ultraviolet lamps with a barrier discharge in inert ga-ses» von G.A. Volkova, N.N. Kirillova, E.N. Pavlovskaya and
A.V. Yakovleva in der SU-Zeitschrift Zhurnal Prikladnoi Spek-troskopii 41 (1984) No. 4, 691-695, veröffentlicht in einer englischsprachigen Übersetzung der Plenum Publishing Corporation 1985, Dok. Nr. 0021-9037/84/4104-1194 $ 08.50, S. 1194 ff., ergibt.
Für Hochleistungsstrahler, insbesondere Hochleistungs-UV-Strahler, gibt es diverse Anwendungen wie z.B. Entkeimung, Aushärten von Lacken und Kunstharzen, Rauchgasreinigung, Zerstörung und Synthese spezieller chemischer Verbindungen. Im allgemeinen wird die Wellenlänge des Strahlers sehr genau auf den beabsichtigten Prozess abgestimmt sein müssen. Der bekannteste UV-Strahler ist vermutlich der Quecksilberstrahler, der UV-Strahlung der Wellenlänge 254 nm und 185 nm mit hohem Wirkungsgrad abstrahlt. In diesen Strahlern brennt eine Niederdruck-Glimmentladung in einem Edelgas-Quecksilberdampf-Gemisch.
In der eingangs genannten Veröffentlichung «Vakuum ultraviolet lamps...» wird eine auf dem Prinzip der stillen elektrischen Entladung basierende UV-Strahlenquelle beschrieben. Dieser Strahler besteht aus einem Rohr aus dielektrischem Material mit Rechteckquerschnitt. Zwei gegenüberliegende Rohrwände sind mit flächenhaften Elektroden in Form von Metallfolien versehen, die an einen Impulsgenerator angeschlossen sind. Das Rohr ist an beiden Enden verschlossen und mit einem Edelgas (Argon, Krypton oder Xenon) gefüllt. Derartige Füllgase bilden beim Zünden einer elektrischen Entladung unter bestimmten Bedingungen sogenannte Excimere. Ein Excimer ist ein Molekül, das aus einem angeregten Atom und einem Atom, im Grundzustand gebildet wird.
z.B. Ar + Ar* -+ Ari
Es ist bekannt, dass die Umwandlung von Elektronenenergie in UV-Strahlung mit diesen Excimeren sehr effizient erfolgt. Bis zu 50% der Elektronenenergie kann in UV-Strahlung umgewandelt werden, wobei die angeregten Komplexe nur einige Na-nosekunden leben und beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung abgehen. Wellenlängenbereiche:
Edelgas UV-Strahlung
He| 60 - 100 nm
Ne^ 80 - 90 nm
Ari 107 - 165 nm
Xel 160 - 190 nm
Bei dem bekannten Strahler gelangt das erzeugte UV-Licht bei einer ersten Ausführung über ein stirnseitiges Fenster im dielektrischen Rohr in den Aussenraum. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Breitseiten des Rohres mit Metallfolien versehen, welche die Elektroden bilden. An den Schmalseiten ist das Rohr mit Ausnehmungen versehen, über welche spezielle Fenster geklebt sind, durch welche die Strahlung austreten kann.
Der mit dem bekannten Strahler erreichbare Wirkungsgrad liegt in der Grössenordnung von 1%, also weit unter dem theoretischen Wert von um 50%, weil sich das Füllgas unzulässig aufheizt. Eine weitere Unzulänglichkeit des bekannten Strahlers ist darin zu sehen, dass sein Lichtaustrittsfenster aus Stabilitätsgründen nur eine vergleichsweise kleine Fläche aufweist.
Ausgehend vom Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsstrahler, insbesondere von ultraviolettem Licht zu schaffen, der einen wesentlich grösseren Wirkungsgrad aufweist, mit höheren elektrischen Leistungsdichten betrieben werden kann und dessen Lichtaustrittsfläche den genannten Beschränkungen nicht unterliegt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einem gattungsgemässen Hochleistungsstrahler sowohl das
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Dielektrikum als auch die weitere Elektrode für die besagte Strahlung durchlässig ist und zumindest die metallische Elektrode gekühlt ist.
Auf diese Weise ist ein Hochleistungsstrahler geschaffen, der mit grossen elektrischen Leistungsdichten und hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Die Geometrie des Hochleistungsstrahlers ist in weiten Grenzen dem Prozess anpassbar, in welchem er eingesetzt wird. So sind neben grossflächigen ebenen Strahlern auch zylindrische, die nach innen oder nach aussen strahlen, möglich. Die Entladungen können bei hohem Druck (0.1 -10 bar) betrieben werden. Mit dieser Bauweise lassen sich elektrische Leistungsdichten von 1-50 KW/m2 realisieren. Da die Elektronenenergie in der Entladung weitgehend optimiert werden kann, liegt der Wirkungsgrad solcher Strahler sehr hoch, wenn man Resonanzlinien geeigneter Atome anregt. Die Wellenlänge der Strahlung lässt sich durch die Art des Füllgases einstellen z.B. Quecksilber (185 nm, 254 nm), Stickstoff (337-415 nm), Selen (196, 204, 206 nm), Xenon (119, 130, 147 nm), Krypton (124 nm). Wie bei anderen Gasentladungen empfiehlt sich auch die Mischung verschiedener Gasarten.
Der Vorteil dieser Strahler liegt in der flächenhaften Ab-strahlung grosser Strahlungsleistungen mit hohem Wirkungsgrad. Fast die gesamte Strahlung ist auf einen oder wenige Wellenlängenbereiche konzentriert. Wichtig ist in allen Fällen, dass -die Strahlung durch eine der Elektroden austreten kann. Dieses Problem ist lösbar mit transparenten, elektrisch leitenden Schichten oder aber auch, indem man ein feinmaschiges Drahtnetz oder aufgebrachte Leiterbahnen als Elektrode benützt, die einerseits die Stromzufuhr zum Dielektrikum gewährleisten, andererseits für die Strahlung aber weitgehend transparent sind. Auch kann ein transparenter Elektrolyt, z.B. H2O, als weitere Elektrode verwendet werden, was insbesondere für die Bestrahlung von Wasser/Abwasser vorteilhaft ist, da auf diese Weise die erzeugte Strahlung unmittelbar in die zu bestrahlende Flüssigkeit gelangt und diese Flüssigkeit gleichzeitig als Kühlmittel dient.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt eines ebenen Flächenstrahlers im Schnitt
Fig. 2 einen zylindrischen nach aussen abstrahlenden Strahler, der in einen Bestrahlungsbehälter für Flüssigkeiten integriert ist im Schnitt
Fig. 3 einen zylindrischen nach innen abstrahlenden Strahler für photochemische Reaktionen.
Der Hochleistungsstrahler nach Fig. 1 umfasst eine Metallelektrode 1, die auf ihrer einen Seite mit einem Kühlmedium 2, z.B. Wasser, in Kontakt steht. Auf der anderen Seite der Metallelektrode 1 ist — distanziert durch elektrisch isolierende Distanzstücke 3, die punktuell über Fläche verteilt sind — eine Platte 4 aus dielektrischem Material angeordnet. Sie besteht für einen UV-Hochleistungsstrahler z.B. aus Quarz oder Saphir, das für die UV-Strahlung durchlässig ist. Für sehr kurzwellige Strahlungen kommen auch Materialien, wie z.B. Magnesium-fluorid und Calziumfluorid in Frage. Für Strahler, welche Strahlung im sichtbaren Bereich des Lichtes liefern sollen, ist das Dielektrikum Glas. Dielektrikum 4 und Metallelektrode 1 begrenzen einen Entladungsraum 5 mit einer typischen Spaltweite zwischen 1 und 10 mm. Auf der dem Entladungsraum 5 abgewandten Oberfläche der dielektrischen Platte 4 ist ein feines Drahtnetz 6 aufgebracht, von dem nur die Kett- oder Schussfäden in Fig. 1 sichtbar sind. Anstelle eines Drahtnetzes kann auch eine transparente elektrisch leitende Schicht vorhanden sein, wobei für sichtbares Licht die Schicht aus Indiumoder Zinnoxid, für sichtbares und UV-Licht eine 5-10 nm dicke Goldschicht verwendet werden kann. Eine Wechselstromquelle 7 ist zwischen die Metallelektrode 1 und die Gegenelektrode (Drahtnetz 6) geschaltet.
Als Wechselstromquelle 7 können generell solche verwendet werden, wie sie im Zusammenhang mit Ozonerzeugern seit langem eingesetzt werden.
Der Entladungsraum 5 ist seitlich in üblicher Weise geschlossen, wurde vor dem Verschliessen evakuiert und mit einem inerten Gas, oder einer bei Entladungsbedingungen Excimere bildenden Substanz, z.B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metalldampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch, gefüllt.
Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz gemäss nachfolgender Tabelle Verwendung finden:
Füllgas
Strahlung
Helium
60 - 100 nm
Neon
80 - 90 nm
Argon
107 - 165 nm
Xenon
160 - 190 nm
Stickstoff
337 - 415 nm
Krypton
124 nm
Krypton + Fluor
240 - 255 nm
Quecksilber
185, 254 nm
Selen
196, 204, 206 nm
Deuterium
150 - 250 nm
Xenon + Fluor/Chlor
400 - 550 nm
In der sich ausbildenden stillen Entladung (dielectric barrier discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Variation der Spaltweite des Entladungsraumes, Druck und/oder Temperatur (über die Intensität der Kühlung) optimal eingestellt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind eine Metallrohr 8, ein von diesem distanziertes Rohr 9 aus dielektrischem Material und ein äusseres Metallrohr 10 koaxial ineinander angeordnet. Durch den Innenraum 11 des Metallrohres wird Kühlflüs-sigkeit oder ein gasförmiges Kühlmittel geleitet. Der Ringspalt 12 zwischen den Rohren 8 und 9 bildet den Entladungsraum. Zwischen dem dielektrischen Rohr 9 (im Beispielsfall ein Quarzrohr) und dem von diesem durch einen weiteren Ringspalt 13 distanzierten äusseren Metallrohr befindet sich die zu bestrahlende Flüssigkeit, im Beispielsfall Wasser, das aufgrund seiner elektrolytischen Eigenschaft die andere Elektrode bildet. Die Wechselstromquelle 7 ist demzufolge an die beiden Metallrohre 8 und 10 angeschlossen.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Strahlung unmittelbar auf das Wasser einwirken kann, das Wasser gleichzeitig als Kühlmittel dient, und damit eine separate Elektrode auf der äusseren Oberfläche des dielektrischen Rohres 9 entbehrlich ist.
Ist die zu bestrahlende Flüssigkeit kein Elektrolyt, so kann eine der im Zusammenhang mit Fig. 1 genannten Elektroden (transparente elektrisch leitende Schicht, Drahtnetz) auf die äussere Oberfläche des dielektrischen Rohres 9 aufgebracht sein.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein mit einer transparenten elektrisch leitenden Innenelektrode 14 versehenes Quarzrohr 9 koaxial in einem Metallrohr 8 angeordnet. Zwischen beiden Rohren 8, 9 erstreckt sich ein ringförmiger Entladungsspalt 12. Das Metallrohr 8 ist unter Bildung eines ringförmigen Kühlspaltes 15, durch den ein Kühlmittel, z.B. Wasser, hindurchleitbar ist, von einem äusseren Rohr 10 umgeben. Die
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Wechselstromquelle 7 ist zwischen die Innenelektrode 14 und das Metallrohr 8 geschaltet.
Wie im Falle der Fig. 2 wird durch den Innenraum 16 des dielektrischen Rohres 9 die zu bestrahlende Substanz geführt und dient — sofern geeignet — gleichzeitig als Kühlmittel.
Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 kann neben festen, auf dem Rohrinneren angebrachten Innenelektroden 14 (Schichten,
Drahtnetz) ein Elektrolyt, z.B. Wasser als Elektrode Verwendung finden.
Sowohl bei Aussenstrahlern gemäss Fig. 2 als auch bei Innenstrahlern nach Fig. 3 erfolgt die Distanzierung bzw. relative 5 Fixierung der einzelnen Rohre gegeneinander durch Distanzie-rungselemente, wie sie in der Ozontechnik verwendet werden.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Hochleistungsstrahler mit einem von einer metallischen Elektrode (1) und einem Dielektrikum (4) zumindest teilweise begrenztem, mit einem Füllmedium gefüllten Entladungsraum (5), welches Dielektrikum (4) auf seiner dem Entladungsraum (5) abgewandten Oberfläche mit einer weiteren Elektrode (6) versehen ist, und einer Wechselstromquelle (7) zur Speisung der Entladung sowie mit Mitteln zur Leitung der durch stille elektrische Entladung erzeugten Strahlung in einen Aussenraum, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Dielektrikum als auch die weitere Elektrode für die besagte Strahlung durchlässig ist und zumindest die metallische Elektrode gekühlt ist.
2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Elektrode eine transparente elektrisch leitende Schicht (14), vorzugsweise aus Indium- oder Zinnoxid oder aus Gold besteht.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Elektrode ein Drahtnetz (6) ist.
4. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium ein unter Entladungsbedingungen Excimere bildendes Edelgas oder Edelgasgemisch ist.
5. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium Quecksilber, Stickstoff, Selen, Deuterium oder ein Gemisch dieser Substanzen allein oder mit einem Edelgas ist.
6. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Metallelektrode (1) und das Dielektrikum (4) plattenförmig ausgebildet sind und die metallische Elektrode (1) von der dielektrischen Platte (4) mittels Distanzstücke (3) distanziert sind.
7. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Metallelektrode (8) und das Dielektrikum (9) rohrförmig ausgebildet sind und zwischen sich den Entladungsraum (12) bilden.
8. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Rohr (9) das Metallrohr (8) konzentrisch umgibt und an seiner äusseren Oberfläche mit einer transparenten elektrisch leitenden Schicht versehen ist oder unmittelbar an einen Elektrolyt angrenzt, welcher die weitere Elektrode bildet.
9. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Rohr (9) konzentrisch innerhalb des Metallrohres (8) angeordnet ist und die innere Oberfläche des dielektrischen Rohres mit einer transparenten elektrisch leitenden Schicht (14) versehen ist oder an einen Elektrolyt angrenzt, welcher die weitere Elektrode bildet.
10. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr (8) unter Belassung eines Kühlspaltes (15) von einem weiteren Rohr (10') umgeben,
durch welchen Kühlspalt ein Kühlmittel hindurchleitbar ist.
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| GB2023980A (en) * | 1978-06-07 | 1980-01-03 | Bbc Brown Boveri & Cie | Apparatus for sterilizing liquids |
Also Published As
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased | ||
| PL | Patent ceased |