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Raumladungsarmer lonengenerator zur Verbesserung des Raumklimas
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Die Erfindung bezieht sich auf einen positive und negative Ionen erzeugenden
Ionengenerator zur Verbesserung des Raumklimas.
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Die moderne biometeorologische Forschug hat ergeben, daß für das Wohlbefinden
des Menschen, aber auch vieler Tiere und Pflanzen, neben den bekannten Klimaelementen,
z.B. Temperatur, Luftdruck, Feuchte, auch elektrische Klimaelemente von großer Bedeutung
sind. Unter elektrischen Klimaelementen versteht man das langsam veränderliche luftelektrische
Feld, die z.B. von labil aufgleitenden Luftmassengrenzen (Fronten) ausgehenden impulsförmigen
Infralangwellenstörungen (Atmo spherics), das erdmagnetische Feld und die polare
Luftleitfähigkeit, hauptsächlich vermittelt durch die atmosphärischen Kleinionen.
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Eine Richtung der biometeorologischen Forschung nicht aufgrund bestimmter
Versuche und Beobachtungen an, daß für das Wohlbefinden eine ausreichend hohe Kleinionendichte,
und hier vor allem eine genügende Dichte der negativen Kleinionen, erforderlich
sei. Im Hochgebirge und in Luftiwrorten mit hoher ultravioletter Einstrahlung mißt
man über 103/cm3, in mittleren Lagen 4.. .8.102/cm3, in Städten und allgemein bei
hoher Luftverschmutzung zuweilen weniger als 102/cm3.
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Das natürliche Verhältnis positiver zu negativer Kleinionendichte
liegt im Mittel bei 5:4. Diesem Mittel sind in der Regel zeitliche Schwankungen
überlagert. Insbesondere bei als ungünstig empfundenen Wetterlagen, z.B. Föhn, Sharav
u. dgl., berichten einige Autoren ein deutliches Uberwiegen der positiven Kleinionendichte
über das natürliche mittlere Verhältnis hinaus.
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Der Versuch ist bekannt, durch künstliche Erzeugung von negativen
Kleinionen das Raumklima zu verbessern. Einrichtungen hierfür sind unter verschiedenen
Namen auf dem Markt.
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Verwendet werden vor allem thermische, radioaktive oder Koronaentladungsionisatoren,
wobei letztere wegen ihrer Einfachheit heute überwiegen. Die Unipolarität wird durch
Anlegen eines Gleichfeldes, das die Ionen der nicht eratünschten Polarität absaugt
und die verbleibenden in den Raum hinaustreibt, erreicht. Durch geeignete Wahl der
Koronaspannung sowie der Geometrie der Entladungsspitzen oder -drähte gelingt es,
die gleichzeitige Erzeugung von Ozon und anderen Gasen zu unterdrücken bzw. vernachlässigbar
klein zu halten.
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Entgegen der in der Kerbung für diese Geräte oft gemachten Behauptung,
es werde eine den natürlichen Verhältnissen in Gebirgslagen entsprechende Raumionisation
erreicht, ergeben Messungen ein völlig anderes Bild. Kurze Zeit nach dem Einschalten
eines solchen Negativionengenerators in einem z.B. 100 m³ großen Raum verschwindet
die ursprüngliche
positive Kleinionendichte von z.B. 250/cm3 bis
auf 4 Rest von unter 50/cm3 durch Rekombination mit den im aber maß erzeugten negativen
Kleinionen. Die negative Kleinionendichte in der Nähe eines typischen kommerziellen
Ionengenerators betragt z.B. 105 ... 106/cm³ und fällt innerhalb von 1 m Abstand
schnell auf Werte ab, die im Mittel etwas über der ursprünglichen Dichte liegen.
Zusätzlich entstehen große, teilweise periodische, teilweise unregelmäßige Schwankungen,
die mit Erscheinungen der Raumladungsphysik (z.B. Trichelpulse) und den immer vorhandenen
Luftbewegungen in einem Raum (Auftreten von Ionenwolken) erklärt werden können.
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Aus dem bis hierher dargelegten Stand der Technik ergeben sich folgende
Nachteile: 1. Die so erzeugte künstliche Raumionisation entspricht in keiner Hinsicht
den natürlichen Verhältnissen.
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2. Wegen der Raumladung ist die räumliche Ionisationsverteilung sehr
inhomogen; leitfähige Hohlräume, die nicht von einer Luftströmung erfaßt sind, bleiben
praktisch ionenfrei. Bei Luftströmung, z.B. in den metallischen Schächten von Klimaanlagen,
treten große lonenverluste durch Entladung an den Wänden auf.
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3. Bei geringer Feuchte, z.B. in zentralgeheizten Räumen, können Personen
in der Nähe des Ionengenerators elektrostatisch hoch aufgeladen werden; sie erleiden
empfindliche elektrische Schläge beim anschließenden Berühren geerdeter Metallteile.
In Räumen mit zündfähigem Gas-Luft-Gemisch besteht Explosionsgefahr durch Funkenbildung.
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4. Die zeitlichen Schwankungen der Raumladungsdichte und des entsprechenden
Rauraladungsfeldes liegen im neurophysiologischen Frequenzbereich. Das ist jener
Frequenzbereich, in dem z.B. auch die Gehirnströme des Menschen liegen. Das kann
je nach Frequenz, Eil1wirkungsdauer und individueller Ausgangslage zu einer Steigerung,
aber
auch zu einer Minderung des Wohlbefindens führen. Da die Frequenzen
nicht konstant sind, verändern sich die Wirkungen auf das Befinden in unvorhersehbarer
Weise.
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5. Der erwünschte Effekt der Luftreinigung durch Anlagerung von Aerosolpartikeln
an die Kleinionen findet hauptsächlich im Gebiet hoher Ionendichte, d.h. in der
Nähe des Ionengenerators, statt. Da dort auch die Feldstärke hoch ist, schlagen
sich die partikelbeladenen Ionen vorwiegend auf den dem Ionengenerator benachbarten
Oberflächen nieder. Die Folge kann eine starke Verschmutzung dieser Oberflächen
sein.
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Es ist auch aus der DT-PS 1 264 722 bekannt, positive und negative
Ionen gleichzeitig künstlich zu erzeugen. Dabei sollen gewisse, von eins abweichende,
Verhältnisse der polaren Ionendichten besonders günstig sein. Dies führt allerdings
wieder zu einer, wenn auch geringeren, Raumladung mit den oben beschriebenen Nachteilen.
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Zur Vermeidung von Rekombination ist im gleichen Zusammenhang weiterhin
aus der OE-PS 319 541 bekannt, die zur Ionenerzeugung notwendigen positiven und
negativen Koronaentladungen räumlich weit voneinander zu trennen, ggf. an verschiedenen
Enden des Raumes anzuordnen. In der Praxis wird so aber keinesfalls der gewünschte
Zweck erreicht. Es ist vielmehr ohne weiteres klar, daß im Raum zwei Zonen entstehen
mit jeweils vorwiegend positiver bzw. negativer Ionisation. Nur an der Grenze zwischen
beiden Zonen ergeben sich in einem schmalen Gebiet die angestrebten Verhältnisse.
Dieses Gebiet verschiebt sich zudem, wenn Luftströmungen auftreten, Personen sich
im Raum bewegen, die Leitfähigkeit z.B. mit der Feuchte wechselt oder die Aerosolbeschaffenheit
sich ändert. Geraten Personen in die Zone positiver Raumladung, können erfahrungsgemäß
das Befinden in unenjtinschter Weise beeinträchtigt oder sogar gesundheitliche Störungen
ausgelöst werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs beschriebenen
Nachteile zu vermeiden und einen wesentlich wirksameren lonengenerator zu schaffen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die in einen Kanal symmetrischen
Querschnitts eingeführte Luft raumladungsarm durch örtlich jeweils getrennte Erzeuger
ionisiert wird, die nach Verdünnung, anschließender Durchmischung und Beseitigung
einer etwa noch vorhandenen Raumladung aus dem Kanal austreten.
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Ein weiteres Merkmal des neuen Ionengenerators besteht darin, daß
zur Erzeugung der atmosphärischen Ionen Koronaentladungseinheiten vorgesehen sind,
die aus einem rotationssymmetrischen, strömungsgünstig geformten Isolierkörper bestehen,
in dessen Rotationsachse eine vorzugsweise metallische Entladungsspitze angebracht
ist, deren effektive Spitzenlänge durch Verschieben der Spitze in der Aufnahmebohrung
einstellbar ist.
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Der modulare Aufbau der Koronaentladungseinheiten und des durch Weglassen
der Spitze daraus abgeleiteten Staukörpers ermöglicht den Aufbau von raumladungsarmen
lonengeneratoren zur Verbesserung der Raumluft, die als räumlich periodische Strukturen
auch in die Zuluftkanäle schon vorhandener Klimaanlagen eingebaut werden können.
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So läßt sich eine, günstigen natürlichen Verhältnissen entsprechende,
Reinigung und Sterilisation der Luft erzielen, was mit einer intensiven Geruchsbeseitigung
verbunden ist.
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Es kann so eine Ersparnis von Heizenergie erzielt werden, da Lüften
zu Zwecken der Geruchsbeseitigung vermeidbar wird.
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Die Wirkung entspricht etwa der raumladungsarmen Ionisation, die von
nicht-rußenden Kerzen oder offenem Feuer, z.B. Kaminfeuer, ausgeht und von vielen
Menschen als besonders angenehm
empfunden wird. Bei vergleichbaren,
gleich temperierten Räumen wirkt der mit raumladungsarm ionisierter Luft erfüllte
Raum subjektiv etwas kühler. Das in der Natur häufig gemessene Verhältnis positiver
zu negativer Kleinionendichte von etwa 5:4 stellt sich bei raumladungsarmer Ionisation
(Verhältnis positiver zu negativer Kleinionendichte etwa 1:1 am Ausgang des Ionengenerators)
im Raum selbsttätig ein.
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Negative Kleinionen haben eine etwas höhere Neigung, schwerere Aerosolpartikel
anzulagern als positive Kleinionen. Daraus ergibt sich eine kürzere Lebensdauer
und damit das von eins abweichende Dichteverhältnis in einigem Abstand vom Ionengenerator.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar.
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Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für einen raumladungsarmen
lonengenerator als Teil eines Elektroklimatisierungssystems, Fig. 2a und 2b ein
Ausführungsbeispiel einer Koronaentladungseinheit schematisch im Quer- und Längsschnitt,
und Fig. 3 ein Beispiel für die Anordnung mehrerer Koronaentladungseinheiten in
einer Querschnittsebene eines Zuluftkanals größeren Querschnitts.
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Der im oberen Teil von Fig. 1 dargestellte Ionengenerator ist zylindersymmetrisch
aufgebaut, d.h. mit einem Kanal 1 kreisförmigen Querschnitts. Außenluft A wird durch
ein Staubfilter 2 vom Ventilator 3 angesaugt und um strömt dann in den ringförmigen
Spalten 4 und 12 die Koronaentladungseinheiten 5 und 6 sowie den Staukörper 7, die
alle eine rotationssymmetrische, turbulenzmindernde und strömungsgünstige Form aufweisen.
Im Inneren der Koronaentladungseinheiten 5 und 6, die aus hochisolierendem Kunststoff
gefertigt sind, befinden sich Entladungsspitzen 8 und 9, die
über
hochohmige Schutzwiderstände R+ und R an Gleichspannungen Uks bzw. Uk aus dem Hochspannungsnetzgerät
10' für die Koronaspannungsquelle 10 gelegt sind. Der Staukörper 7 ist vorzugsweise
baugleich mit einer Koronaentladungseinheit, nur können Entladungsspitze und Spannungszuführung
entfallen.
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An den Entladungsspitzen 8 bzw. 9 werden in an sich bekannter Weise
positive bzw. negative atmosphärische Ionen in hoher Dichte erzeugt. Durch das von
den Spitzen ausgehende elektrische Feld werden die Ionen durch elektrische Feldkräfte
von den Spitzen weggeführt. Teilweise entladen sie sich an der geerdeten Wandung
11 des Kanals 1, teilweise werden sie vom- Luftstrom erfaßt, mit Außenluft verdünnt
und im Spalt 12 bei verringerter Dichte rekornbinationsarm zusammengeführt. Durch
Rückstau an einem geerdeten Gitter 14, an einem Meßgitter 15 sowie an Drosselklappen
16 bildet sich im Mischraum 13 eine Turbulenz aus, die zu einer innigen Durchmischung
der positiven und der negativen Ionen führt.
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Dabei treten zwar Verluste durch Rekombination ein, die sich jedoch
wegen der durch Verdünnung verringerten jeweiligen Ionendichten in Grenzen halten.
Eine etwaige restliche Raumladung der überwiegend ausgeglichen bipolar ionisierten
Luft kann beim Passieren des geerdeten Gitters 14 durch Entladung zweiter verringert
werden. Das Meßgitter 15 kontrolliert den Ladungszustand der austretenden Luft 17,
die das Gerät schließlich durch die Drosselklappen 16 verläßt.
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Positive oder negative Aufladung des Meßgitters 15 auf die Spannung
U5 bedeutet eine trotz allem verbliebene restliche positive oder negative Raumladung
der bipolar ionisierten Austrittsluft. U5 kann nach Verstärkung 18 zu Regelzwecken
dem Hochspanmznfflsnetzgerät 10'zugeführt werden.
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Durch Beeinflussung der Koronaspannungen Uk bzw. Uk kann dann die
Erzeugung unipolarer Ionen in den Koronaentladungseinheiten 5 und 6 so verändert
werden, daß schließlich -trotz hoher bipolarer Ionisation - die Austrittsluft 17
nahezu raumladungafrei wird.
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Falls für bestimmte Anwendungen ausnahmsweise eine definierte Raumladung
der Austrittsluft 17 gewünscht wird, kann dies als Sollwert für Uæ in den Verstärker
18 eingegeben werden.
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Es können auch mehr als zwei Koronaentladungseinheiten wie 5 und 6
in einer Achse hintereinander vorgesehen werden.
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Vorzugsweise benutzt man die gleiche Anzahl Koronaentladungseinheiten
für jede Polarität und ordnet sie abwechselnd hintereinander an.
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Mit einem an sich bekannten Ionisationsmeßgerät 19, z.B.
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zwei Aspirationsionometern für die polaren Ionendichten und n , läßt
sich die Ionisation der Raumluft 20 an beliebigen Orten des Raumes kontrollieren.
Bei Uberschreiten vorgegebener Sollwerte kann das Netzgerät 10' im Sinne einer Regelung
beeinflußt werden, z.B. im Sinne einer Verminderung der Ionenproduktion bis zur
gänzlichen Abschaltung.
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Z.B. in nur zeitweilig benutzten Räumen kann es wünschenswert sein,
den Ionengenerator über das Hochspannungsnetzgerät 10' durch eine programmierbare
Schaltuhr 21 automatisch ein- und auszuschalten.
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Fig. 2 zeigt beispielhaft einige Einzelheiten einer Koronaentladungseinheit
5 oder 6. Durch Aufladung der Innenfläche 22 des aus hochisolierendem Kunststoff
gefertigten Körpers 23 tritt eine Bündelung des von der Spitze 9 ausgehenden Ionenstromes
ein. Die Spitze 9 wird z.B. in der axialen Bohrung 24 mit Hilfe der Madenschraube
25 festgeklemmt. Durch axiale Verschiebung der Spitze 9 in der Aufnahmebohrung 24
läßt sich bei konstanter Koronaspannung auch die Ionenemission verändern. Dies ist
zum Ausgleich von Toleranzen der Spitzenradien unterschiedlicher Spitzen 9 wichtig.
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Eine exzentrische, senkrecht zur axialen Bohrung 24 angebrachte Bohrung
26 dient der Aufnahme der abisolierten
Seele des Hochspannungskabels
27. So kann z.B. mit Hilfe der Madenschraube 25 gleichzeitig die Kabelseele mit
der Spitze 9 durch Festklemmen verbunden werden.
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In Fig. 3 ist beispielhaft angedeutet, wie mehrere Koronaentladungseinheiten
27, 28, 29, 30 in einem Luftkanal 1t größeren symmetrischen Querschnitts angeordnet
und zur optimalen Durchmischung geschaltet werden können. Es versteht sich, daß
Koronaentladungseinheiten, die in einem in axialer Richtung davor oder dahinter
liegenden Querschnitt angeordnet sind, komplementär zu beschalten sind.
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So erreicht man, daß positive und negative Koronaentladungseinheiten
auch in axialer Richtung einander abwechseln.
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Das Hochspannungsnetzgerät besteht vorzugsweise aus an sich bekannten
Vervielfacherkaskaden, die aus Halbleiterdioden und Kondensatoren in jeder gewünschten
Technik aufgebaut werden können. Unter Vermeidung von Transformatoren oder Zündspulen
wird einfach der Scheitelwert der Netzwechselspannung 220 V 300 V vervielfacht.
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Die Gleichspannung an den Koronaspitzen beträgt ca. 3...9 kV gegen
Masse. Sie hängt ab vom Spitzenradius und der sonstigen Geometrie der Koronaentladungseinheiten.
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Impulsverfahren zur Hochspannungserzeugung, z.B. mit Zündspulen, wie
sie bei unipolaren lonengeneratoren verwendet werden, sind nicht nur wegen des Preises,
sondern auch wegen möglicher Impulsmodulation der Hochspannung zu vermeiden. Es
besteht sonst die Gefahr, daß außer der Ionisation auch Atmospherics abgestrahlt
werden, die unvorhersehbare physiologische Wirkungen haben können. PATENTANSPRUCHE:
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