DE3442121C2 - Ozonerzeuger mit einem Dielektrikum auf Keramikbasis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ozonerzeuger gemäß Patentanspruch 1 (DE-OS 31 28 746).

In der DE-OS 31 28 746 wird ein Dielektrikum, das auf einen rohrförmigen oder plattenförmigen, selbsttragenden Metallkörper, der eine Elektrode bildet, schichtförmig aufgebracht ist, zur Verwendung bei Ozonerzeugern vorge­ schlagen. Dieses Dielektrikum ist einige 100 µm dick und besteht aus einem in einem Kunststoff homogen verteilten Keramikpulver. Als Kunststoff kommt vorzugsweise ein Phenyl­ methylpolysiloxan oder ein modifiziertes Silikon und als Keramikpulver eine eine lineare Temperaturabhängigkeit und eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante besitzende Keramik zur Anwendung, wie sie u. a. zur Herstellung von Keramikkondensatoren verwendet wird.

In dieser Veröffentlichung wird anhand eines Diagramms erläutert, daß mit Erhöhung des Gewichtsanteils des Kera­ mikpulvers sich auch die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht erhöht, jedoch bei Verwendung von mehr als 50 Gew.-% Keramikpulver die Durchschlagfestig­ keit des Dielektrikums erheblich abfällt.

Einer an sich wünschenswerten Steigerung der Dielektri­ zitätskonstante zur Erhöhung der Leistungsdichte des Ozon­ erzeugers sind damit offensichtlich Grenzen gesetzt. Hinzu kommt, daß sich die erreichbaren Durchschlagfestigkeits­ werte auf die Durchschlagfestigkeit des Dielektrikums selbst beziehen. Umfangreiche Untersuchungen der Anmel­ derin haben gezeigt, daß es beim Betrieb eines Ozoner­ zeugers weniger auf diese "Kurzzeit-Durchschlagfestigkeit" ankommt. Von größter Bedeutung ist das Verhalten der dielektrischen Schicht bei ständiger Belastung durch den Entladungsangriff im Entladungsspalt des Ozonerzeugers. Diese hier mit "Langzeit-Durchschlagfestigkeit" bezeich­ nete Kenngröße der dielektrischen Schicht ist um Größenordnungen niedriger als die "Kurzzeit-Durchschlagfestig­ keit": durch den Entladungsangriff werden ständig kleine und kleinste Bestandteile aus der Dielektrikumsoberfläche herausgelöst. An diesen Fehlstellen wird das Dielektrikum dann lokal noch stärker beansprucht, was ein weiteres Herauslösen von Teilchen zur Folge hat und schlußendlich zum Durchbruch schon bei kleinen Feldstärken führt.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ozonerzeuger zu schaffen, dessen Dielektrikum eine wesentlich höhere Langzeit-Durchschlagfestigkeit aufweist und Ge­ wichtsanteile des dielektrischen Füllmaterials über 50 Gew.% hin­ aus ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch im Anspruch 1 angegebene Merkmale ge­ löst.

Die Erfindung geht dabei von der folgenden neuen Erkenntnis aus:

Werden in die dielektrische Schicht neben dem Bindemittel und dem feinkörnigen Keramikpulver größere Körner aus einem koronafesten Material eingelagert, so werden zwar im oberflächlichen Bereich der Schicht durch den Entladungs­ angriff feinkörnige Pulverteile und Bindemittel herausge­ schlagen. In die so gebildeten Löcher zwischen "groben" Körnern kann jedoch das elektrische Feld nicht beliebig eindringen, weil sich dort keine elektrische Entladung mehr ereignet. Ein mechanisches Analogon hierzu wäre der "Pflastersteineffekt": bei gepflasterten Straßen und Wegen sind dem Erosionsangriff auf das Füllmaterial zwischen den Pflastersteinen durch die Pflastersteine selbst Grenzen gesetzt.

Als Keramikpulver kommt vorzugsweise Bariumtitanat zur Verwendung. Als grobkörnige dielektrische Bestandteile der dielektrischen Schicht eignen sich neben einer Mischung aus Glaskügelchen und Elektrokurund oder Elektrokorund vor allem auch TiO₂-Körner entsprechenden Durchmessers. Da TiO₂ im Handel nur als feinkörniges Pulver erhältlich ist, werden die groben Körner durch Zermahlen von gesin­ tertem TiO₂ gewonnen.

Als härtbarer Kunststoff eignet sich insbesondere anhydrid­ gehärtetes Epoxidharz.

Die Verwendung von Beschichtungen aus Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂, BaTiO₃ und Epoxidharz auf Metallen (Edelstahl, Aluminium, Messing) zur Verhinderung von Pulsentladungen im Vakuum bekannt (vgl. Chem. Abstr. 90 (1979), Ref. Nr. 113 626 K). Über die Korngrößen der Beschichtungen werden dort jedoch keine Angaben gemacht. Es wird lediglich darauf hingewiesen, daß durch Vakuumbedampfung aufge­ brachte Schichten gesputterten Beschichtungen überlegen seien.

Das Aufbringen des Dielektrikums erfolgt beispielsweise durch Vakuumguß, nach dem Druckgelierverfahren oder nach der Verdrängermethode.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Ozonerzeuger in stark vergrößertem Maßstab nach längerer Betriebszeit,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine erste metallische Elektrode mit 1, eine zweite metallische Elektrode mit 2 bezeichnet. Die zweite Elektrode 2 weist auf der der ersten Elektrode zugewandten Oberfläche eine dielektrische Schicht 3 auf. Zwischen der Schicht 3 und der ersten Elektrode 1 erstreckt sich der typisch 0,6-2 mm breite Entladungsspalt 4 des Ozonerzeugers.

Die Schicht 3 enthält eine Vielzahl von TiO₂-Körnern 5 in mehr oder weniger gleichmäßiger Verteilung und dazwi­ schenliegende Bariumtitanatkörner 6. Beide Körnertypen sind in ein heißhärtendes vorzugsweise anhydridgehärtetes Epoxidharz mit einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r ∼3,5 eingelagert. Die Dicke der dielektrischen Schicht 3 beträgt zwischen 1 und 5 mm, vorzugsweise 2,5 bis 3 mm. Das Bariumtitanatpulver weist eine Korngröße von weniger als 1 µm auf und besitzt eine relative Dielektrizitäts­ konstante ε_r ∼2000.

Die groben Körner bestehen aus TiO₂ mit Korngrößen zwischen 5 und 100 µm mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von ε_r ∼100. Sie werden durch Sintern von feinkörnigem TiO₂ und anschließendem Zerkleinern gewonnen.

Mit einer derart aufgebauten Schicht, die ca. 42 Vol.-% Kunstharz, ca. 20 Vol.-% Bariumtitanatpulver und ca. 38 Vol.-% grobkörniges TiO₂ aufweist, ergab sich eine relative Dielek­ trizitätskonstante der gesamten Schicht von ca. ε_r = 30, wobei die Langzeit-Durchschlagfestigkeit über 2000 V/mm betrug.

Vergleichbare Werte lieferte eine Schicht 3 mit einer Mischung aus Glaskügelchen und Elektrokorund als grob­ körniger Bestandteil der dielektrischen Schicht.

In Fig. 2 ist veranschaulicht, auf welche Weise die gegen­ über dem Bekannten höhere Langzeit-Durchschlagfestigkeit erklärt werden kann:

Mit zunehmender Betriebsdauer werden aus der ursprünglichen Dielektrikumsoberfläche 7 die feinkörnigen Bestandteile durch den Entladungsangriff (Koronafäden 8) herausgeschla­ gen. Auch im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten TiO₂- Körnern 5 findet dieser Vorgang statt. Dieses Material kann jedoch nicht beliebig tief herausgeschlagen werden, da in ein Loch ein elektrisches Feld (symbolisiert durch Pfeile 9) nicht beliebig tief eindringen kann und sich dort deshalb keine elektrische Entladung mehr ereignet. Die hervorstehenden groben TiO₂-Körner 5 werden durch die Entladung nicht angegriffen.

Ein erfindungsgemäßer Ozonerzeuger weist folgende Vorteile auf:

• - es lassen sich ohne schaltungstechnischen Mehraufwand auf der Anspeiseseite Leistungsdichten über 20 kW/m² erreichen, kleine Spaltweite und Doppelkühlung beider Elektroden vorausgesetzt;
• - es sind sehr kleine (mechanische) Toleranzen einhalt­ bar, die praktisch nur von der Technik des Aufbringens der dielektrischen Schicht, z. B. Umgießen, abhängig sind;
• - bestmöglicher Wärmeübergang zwischen Dielektrikum und Kühlkörper; im Gegensatz zum klassischen Glasrohr mit Innenelektrode kann hier das flüssige Kühlmittel un­ mittelbar mit der das Dielektrikum tragenden Elektrode in Kontakt gebracht werden;
• - eine besondere Innenkontaktierung ist entbehrlich;
• - der Leistungsfaktor (cos ϕ) ist besser;
• - die Erfindung läßt sich sowohl bei Röhren- als auch Plattenozonisatoren verwenden.

Claims (5)

1. Ozonerzeuger mit einer ersten (1) und einer zweiten metalli­ schen Elektrode (2) und einer Schicht (3) aus dielektrischem Material auf der der ersten Elektrode zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode, wobei die dielektrische Schicht (3) ein mit einem dielektrischen Pulver gefüllter härtbarer Kunststoff ist, dadurch gekennzeichnet, das die dielektrische Schicht mehr als 1 mm dick ist, daß der Kunststoff­ anteil der dielektrischen Schicht (3) höchstens 40 Gew.-% be­ trägt, und das dielektrische Pulver neben einem Keramikpulver mit Korngrößen kleiner als 1 µm grobkörnigere dielektrische Bestandteile mit Korngrößen zwischen 5 und 300 µm enthält.

2. Ozonerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikpulver Bariumtitanat ist.

3. Ozonerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die grobkörnigeren dielektrischen Bestandteile aus Glas­ kugeln mit einem Durchmesser von 50 bis 150 µm und Elektroko­ rund mit einer Korngröße von 50 bis 150 µm bestehen.

4. Ozonerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die grobkörnigeren dielektrischen Bestandteile TiO₂-Kör­ ner sind, welche durch Zermahlen von gesintertem TiO₂ gewon­ nen sind.

5. Ozonerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als härtbarer Kunststoff anhydridgehärte­ tes Epoxidharz verwendet wird.