[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Feststoffaerosols, wie
eines Kohlenstoffaerosols, wobei Aerosolteilchen durch Funkenentladung über teilchenabgebende
Elektroden erzeugt werden und ein Verfahren zum Erzeugen eines Feststoffaerosols,
wie eines Kohlenstoffaerosols, mit hoher Massenkonstanz und mit kleinen reproduzierbaren
Partikelgrößen.
[0002] Es sind verschiedene Einrichtungen zur Erzeugung eines Feststoffaerosols bekannt,
so können Partikel von einer Säule aus verdichteten Kohlenstoffteilchen mittels einer
Bürste abgenommen und in einen Gasstrom eingebracht werden, von dem sie ausgetragen
werden. Zur Erzeugung eines Kohlen stoffaerosols wurde eine Entladung über zwei mit
Abstand zueinander angeordnete Kohlenstoffelektroden vorgeschlagen. Bei der Funkenentladung
verdampft das Elektrodenmaterial und im Zwischenraum zwischen den Elektroden kondensieren
einzelne Teilchen. Die Elektroden werden von einem Gasstrom umspült, der die kondensierten
Teilchen mitnimmt und als Aerosol aus der Vorrichtung austrägt. Bei der letztgenannten
Vorrichtung können nur Aerosole mit niedriger Konzentration über eine kurze Zeit
im Labormaßstab erzeugt werden, da die Elektroden "abbrennen" und sich damit die Arbeitsbedingungen
ändern, damit kein konstanter Betrieb erreichbar ist.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung dahingehend
weiterzuentwickeln, daß einstellbar über eine große Zeit - äußerst konstante Partikelkonzentrationen
erreicht werden, so daß eine derartige Vorrichtung zur Kalibrierung von Ruß-Meßgeräten,
für Filtertests und für Inhalationsexperimente geeignet ist.
[0004] Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mittels einer Vorrichtung zum Erzeugen
eines Feststoffaerosols gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Elektroden
parallele benachbarte Stirnflächen aufweisen, daß sie mit einem sie synchron gegeneinanderbewegenden
Vorschubantrieb versehen sind und daß die erzeugten Teilchen durch einen Gasstrom
fortführbar sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, daß einzelne elektrische
Funken mit hoher Wiederholungsfrequenz durch an die Elektroden angelegte Hochspannung
erzeugt werden, daß durch die HochspannungsFunkenentladung Material von ebenen, parallel
zueinander gerichteten Stirnflächen der Elektroden verdampft wird und durch Kondensation
kleinste Feststoffpartikel bildet, daß die Feststoffpartikel durch einen Gasstrom
mitgeführt werden und daß die Elektroden geregelt synchron aufeinander zubewegt werden.
[0005] Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch an den Elektroden anliegende Hochspannung
mit einzelnen Spannungsspitzen hoher Wiederholungsfrequenz zur Verdampfung des Elektrodenmaterials
aus. Das Elektrodenmaterial wird durch wiederholt zwischen den Elektroden überschlagende,
einzelne elektrische Funken verdampft und anschließend zu kleinen Teilchen kondensiert.
[0006] Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann erreicht werden, daß der Abstand zwischen
den einander parallel gegenüberliegenden vorderen Stirnseiten der Elektroden über
eine lange Zeit automatisch konstant gehalten wird. Es wird so eine konstante Überschlagsspannung
und damit ein konstanter Partikelgeneratorbetrieb erreicht. Insbesondere wird durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung sichergestellt, daß die Elektroden immer symmetrisch
in den Gas- und Partikelführungskanal ragen und damit der Abbrand der Elektroden mittig
im Aerosolkanal erfolgt.
[0007] In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Elektroden über Spindeln
mit gegeneinanderlaufenden Gewinden angetrieben sind, wobei insbesondere die Elektroden
an Laufblöcken festgelegt sind, die mit den Spindeln im Eingriff stehen und die Spindeln
von einem Motor über einen Zahnriehmen angetrieben sind. Durch diese Ausgestaltung
wird eine gleichmäßige Führung der Elektroden erzielt, was für einen gleichmäßigen
Abbrand derselben und die Sicherstellung einer minimalen Veränderung der Überschlagsspannung
wichtig ist. In weiterer Ausbildung kann eine Regeleinrichtung für den Vorschubantrieb
der Elektroden vorgesehen sein. Während grundsätzlich die Elektrodenabbrandrate konstant
ist, so daß ein gesteuerter Antrieb vorgesehen sein könnte, wird durch diese Ausbildung
eine weite Einstellbarkeit der Partikelkonzentrationen ermöglicht, indem die Vorschubregelung
- abhängig von jeweils gewünschter Partikelkonzentration - automatisch verriegelt
ist und hier nicht verschiedene externe Steuerprogramme vorgesehen sein müssen. In
äußerst bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Regelung durch eine Meßeinrichtung
für die Überschlagsspannung zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten der Elektroden.
Durch Messung der Überschlagsspannung wird genau diese, deren Konstanz angestrebt
wird, zur Regelung des Elektrodenabstandes und damit der gewünschten Konstanthaltung
der Überschlagsspannung selbst als Meßgröße bzw. Istwertvorgabe genommen.
[0008] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein Gasführungskanal für
Trägergas und Teilchenstrom in einem PTFE-Körper ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung
wird erreicht, daß möglichst wenig Teilchen im Aerosolkanal haften bleiben, wodurch
die ausgetragene Partikelkonzentration verändert werden könnte.
[0009] Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein Aerosolgenerator, insbesondere
zum Erzeugen von reinem Kohlenstoffaerosol, aber auch zur Erzeugung von Aerosolen
aus Metallen bzw. Inertengas oder Metalloxiden bei Verwendung von entsprechenden
Metallelektroden, deren Abbrand im letzten Falle in einer Sauerstoffatmosphäre als
Treibgas oxidiert, geschaffen, mit dem Kalibrierungen von Meßgeräten, Filtertests
und Inhalationsexperimente bequem und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden können.
[0010] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
Figur 1 Eine schematische Darstellung des Antriebs für die Elektroden in Seitenansicht;
Figur 2 eine Sicht auf die Vorrichtung entsprechend dem Pfeil II der Figur 1;
Figur 3 eine Darstellung des Funktionsblocks mit Elektroden und Gasführungskanal in
einem Schnitt senkrecht zu derselben;
Figur 4 einen Schnitt entsprechend IV-IV der Figur 3;
Figur 5 eine konkrete Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Figur 6 eine Prinzipdarstellung der elektrischen Schaltung.
[0011] Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Feststoffaerosols weist einen
Funktionsblock 2 aus PTFC oder einem entsprechendes Material mit schlechten Hafteigenschaften
auf. In dem Funktionsblock 2 ist ein Gaszuführungskanal 3, vorzugsweise ein inertes
Trägergas wie Argon oder dergleichen ausgebildet ist. An den Gaszuführungskanal 3
schließt sich eine Überschlagskammer 3a an, in die senkrecht zu ihr diagonal in diesen
zentral mündend Führungsdurchbrüche 4 für Feststoffelektroden 6 ausgebildet. Die
Elektroden 6 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel Graphitelektroden. Es können
aber grundsätzlich auch andere Elektroden eingesetzt werden, wie beispielsweise einzelne
Metallelektroden, wobei das Trägergas dann ein sauerstoffhaltiges Trägergas sein
kann, um entsprechende Oxidaerosole zu erzeugen.
[0012] Auf den Funktionsblock 2 ist ein Gasführungsflansch 5 befestigt (Fig.3), der mit
einem Gaseinlaß 5a (Fig. 4) versehen ist, die über eine Querbohrung 5b und Gaszuführungsbohrungen
5c zu dem Gaszuführungskanal 3 im Funktions block 2 eine Gasverbindung herstellt.
Die mehreren kleinen Gaszuführungsbohrungen 5c ergeben eine gleichmäßige Strömungsverteilung
der Gasströmung. Der Gaszuführungskanal 3 weist einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt auf. Das Verhältnis von Querschnittsbreite in Erstreckungsrichtung der
Elektrode zur Querschnittslänge senkrecht hierzu liegt vorzugsweise unter 1:10, wobei
die Breite geringer als 1 mm und geringer als der Elektrodenabstand sein sollte. Vor
den Elektroden 6 verbreitert sich der Gaszuführungskanal 3 zur Entladungskammer 3a,
deren Querschnittsbreite und -länge etwa in der gleichen Größenordnung liegen. Durch
diese Ausgestaltung kann das Trägergas im wesentlichen laminar ohne große Turbulenzbildung
zwischen den Elektroden 6 hindurchströmen und nach einer Entladung zwischen den Elektroden
6, wobei sich von diesen Partikel lösen, die die Aerosolteilchen bilden, schnell aus
der Überschußkammer ausräumen, was eine hohe Entladungsfrequenz und damit eine hohe
Aerosolteilchenrate ermöglicht.
[0013] Die Entladungskammer 3a mündet bei 3b in einen Aerosolauslaßkanal 3c, in dem im
Einmündungsbereich 3b eine Verdünnungsgasdüse 10 angeordnet ist. Hierdurch kann unter
Beibehaltung die durch die mögliche hohe Entladungsfrequenz erzeugte hohe Teilchenrate
die strömende Gasmenge vergrößert werden. Gleichzeitig kann die Konzentration der
Aerosolpartikel in der vergrößerten Gasmenge über die gesamte Querschnittsbreite des
Auslaßkanals 3a abgesenkt werden, wodurch ein Agglomerieren der Aerosolteilchen zu
größeren Gebilden (Ketten, Flocken oder ähnliches) zuverlässig verhindert wird.
[0014] Insbesondere kann hier ein anderes Gas zugemischt werden. Beispielsweise ist es möglich
Luft zuzumischen, die nicht direkt mit oder statt des Trägergases Argon durch die
Entladungskammer geführt werden kann, da die bei der Entladung sich lösenden Teilchen
(Kohlenstoff aber auch Metallteilchen bei Metallelektroden, wenn ein entsprechendes
Aerosol gewünscht wird) im Entladungsplasma oxidieren (verbrennen) würden. Eine spätere
Zumischung von Sauerstoff ist insofern problemlos und gegenüber der Verwendung ausschließlich
eines inerten Edelgases als Träger preiswerter. Durch die Ausbildung der Zuführung
für das Mischgas als Düse 10 wird ein Eindringen des Mischgases in den Bereich zwischen
den Elektroden 6 zuverlässig verhindert.
[0015] Die Elektroden 6 weisen flache, parallel zueinander gerichtete, einander gegenüberliegende
Stirnseiten 7 auf, die einander im geringem Abstand von wenigen mm, vorzugsweise ca.
1,5 mm, gegenüberstehen. Die Elektroden 6 sind in Halteböcken 8 festgehalten. Die
Halteböcke 8 weisen Führungsdurchbrüche 9 mit einem Innengewinde 11 auf und sitzen
mit diesen Durchbrüchen auf Spindeln 12, die den Funktionsblock 2 frei drehbar durchsetzen,
ihn beidseitig überragen und an ihren überragenden Enden mit jeweils entgegengesetzten
Gewinden 13,14 versehen sind, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel der Figur
1 die Gewinde 13 links des Funktionsblocks 2 Linksgewinde und die Gewinde 14 rechts
des Funktionsblock 2 Rechtsgewinde sind.
[0016] Auf beiden Spindeln sitzen Zahnscheiben 16,17, über die gemeinsam ein Zahnriemen
18 geführt ist, der ebenfalls über eine Zahnscheibe 19 eines Antriebsmotors 21 läuft.
Die Spindeln sind in ihren inneren und äußeren Endstellungen mittels Endschalter
abschaltbar.
[0017] Bei der Ausgestaltung der Figur 5 ist der Funktionsblock 2 in einem Gehäuse 15 angeordnet.
Die Elektroden 6 werden durch Elektrodenhülsen 6a gehalten, die rückseitig durch
Schraubkappen 6b abgedeckt sind, durch die die Hülsen 6a die Elektroden 6 sicher
halten.
[0018] Die Elektroden 6 sind über ein Speicher-Glied 22 wie beispielsweise ein RC-Glied
mit einem Hochspannungsnetzteil 23, das gegebenenfalls einen Transformator T aufweist,
verbunden (eine der Elektroden über "Erde", die andere mit dem weiteren Pol des Netzteils
über das Speicherglied direkt). Durch die angelegte Hochspannung werden Spannungsspitzen
erzeugt, die zu einer Funkenbildung zwischen den Elektroden führen. Es wird mit einer
konstanten Hochspannung von mehr als 1000 Volt, beispielsweise von ca. 3000 Volt,
gearbeitet. Mittels eines Stromreglers 25 wird der Ausgangsstrom der Hochspannungsversorgung
und damit die Funkenfrequenz eingestellt. Die Höhe des Ausgangsstroms bestimmt die
Aufladezeit des Speicherglieds 22 und damit die Funkenfrequenz. Diese kann zwischen
3 Hz und ca. 1000 Hz gewählt werden.
[0019] Weiter liegt an der direkt mit dem Hochspannungsnetzteil verbundenen Elektrode 6
ein Hochspannungsmeßgerät 24 an, das zu einem Eingang 26 eines Komparators 27 führt,
an dessen anderem Eingang 28 eine für den gewünschten (Soll-)Abstand der Elektroden
6 repräsentative Referenzspannung einer Sollspannungsquelle 29 (relativ zur "Erde")
anliegt. Der Komperator 27 vergleicht die beiden an seinen Eingängen 26,28 anliegenden
Spannungen und regelt entsprechend deren Differenz den Elektrodenantriebsmotor 21.
Derart wird die Überschlagsspannung zwischen den Elektroden 6 gemessen und mittels
ihres Wertes der Elektrodenabstand zwischen den Stirnseiten 7 der Elektroden 6 automatisch
geregelt. Steigt die Überschlagsspannung durch zunehmenden Abstand der Elektroden
6, setzt die Ausgangsspannung des Komperators 27 den Elektrodenantriebsmotor 21 in
Betrieb bis der Abstand und damit die Überschlagsspannung wieder ihren Sollwert
erreicht haben. Hier durch wird eine konstante Überschlagsspannung und ein konstanter
Generatorbetrieb erreicht.
[0020] Der GFG 1000 erzeugt kleinste Kohlenstoffpartikel durch Hochspannungsfunken zwischen
zwei Graphitelektroden. Um Oxidation des Kohlenstoffs zu vermeiden, wird die Strecke
zwischen den Elektroden mit Argon gespült. Der in der Funkenstrecke verdampfte Kohlenstoff
wird von dem Argonstrom aus dem Bereich zwischen den Elektroden heraustransportiert
und kondensiert zu kleinsten Primärpartikeln, die je nach Konzentration mehr oder
weniger große Agglomerate bilden. Über die Stromstärke und damit die Frequenz des
Funkens läßt sich der Partikelmassenstrom in weiten Grenzen weitgehend linear variieren,
wobei der Massenstrom bevorzugterweise im Bereich von 0 bis ca. 0,1 mg/min. liegt.
[0021] Der Elektrodenabbrand wird durch eine automatische Nachführung der Elektroden kompensiert.
Damit wird ein sehr konstanter Betrieb des Generators gewährleistet. Durch gezielte
Verdünnung des Aerosols direkt nach der Entstehung kann die Agglomeratbildung verringert
werden.
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Feststoffaerosols, wie eines Kohlenstoffaerosols,
wobei Aerosolteilchen durch Funkenentladung über teilchenabgebende Elektroden erzeugt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6) parallele benachbarte Stirnflächen
(7) aufweisen, daß sie mit einem sie synchron gegeneinanderbewegenden Vorschubantrieb
(8,9,11, 12,13, 14,16,17) versehen sind und daß die erzeugten Teilchen durch einen
Gasstrom fortführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6) über Spindeln
(12) mit gegeneinanderlaufenden Gewinden (13,14) angetrieben sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an Laufblöcken
(8) festgelegt sind, die mit den Spindeln (12) im Eingriff stehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindeln (12)
von einem Motor (21) über einen Zahnriemen (18) angetrieben sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung
für den Vorschubantrieb der Elektroden (6).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung für die Überschlagsspannung
zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten (7) der Elektroden (6).
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Gasführungskanal (3) für Trägergas und Teilchenstrom in einem PTFE-Körper (2)
ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
hinter den Elektroden (6) im Aerosolauslaß am Kanal (3c) eine Verdünnungsgasdüse
(10) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Aerosolauslaßkanal
(3c) sich quer zum Gasführungskanal (3,3a) im Bereich der Elektroden (6) erstreckt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Verdünnungsgasdüse
(10) stromab der Mündung (3b) des Gasführungskanals (3,3a) in den Aerosolauslaßkanal
(3c) mündet.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gasführungskanal (3) vor den Elektroden (6) als Schlitz mit einer gegenüber dem
Abstand der Elektroden (6) geringeren Breite ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Querschnittsbreite
zu Querschnittslänge des Gasführungskanals (3) kleiner als 1:10 ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaszuführungskanal
(3) eine Querschnittsbreite in Erstreckungsrichtung der Elektroden (6) von weniger
als 1 mm aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zuführungskanal (3) kontinuierlich vor den Elektroden (6) in eine Entladungskammer
(3a), in welche die Elektroden (6) ragen, übergeht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch an den Elektroden
(6) anliegende Hochspannung mit einzelnen Spannungsspitzen hoher Wiederholungsfrequenz
zur Verdampfung des Elektrodenmaterials.
16. Verfahren zum Erzeugen eines Feststoffaerosols, wie eines Kohlenstoffaerosols,
mit hoher Massenkonstanz und mit kleinen reproduzierbaren Partikelgrößen, dadurch
gekennzeichnet, daß einzelne elektrische Funken mit hoher Wiederholungsfrequenz durch
an die Elektroden angelegte Hochspannung erzeugt werden, daß durch die Hochspannungs-Funkenentladung
Material von ebenen, parallel zueinander gerichteten Stirnflächen der Elektroden verdampft
wird und durch Kondensation kleinste Feststoffpartikel bildet, daß die Feststoffpartikel
durch einen Gasstrom mitgeführt werden und daß die Elektroden geregelt synchron aufeinander
zubewegt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden
Stirnseiten der Elektroden trotz ihres Abbrandes auf konstanten Abstand geregelt
werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch Messung
der Überschlagsspannung zwischen den Elektroden erfolgt.