Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Feststoffpartikeln durch Funkenentladung zwischen teilchenabgebenden Elektroden, die über Vorschubantriebe bewegbar sind, wobei die erzeugten Partikel durch einen Gasstrom mitgeführt werden.
Es sind verschiedene Einrichtungen zur Erzeugung von Feststoffpartikeln wie 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 Kohlenstoffaerosols 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, wodurch kein konstanter Betrieb erreichbar ist.
Die US-A-3 358 114 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Sprühschichten eines Substrats. Hierzu wird zwischen Elektroden mit angespitzten vorderen Enden, die zueinander unter einem endlichen Winkel ausgerichtet sind, ein Lichtbogen erzeugt, indem die Elektroden einander angenähert werden, bis eine Entladung aufgrund einer angelegten Hochfrequenz stattfindet. Die Entladungsfrequenz beträgt dabei etwa 10.000 Hz bei einer geringen Spannung von 50 V und bei einer hohen Stromstärke von 100 A. Hierdurch bleiben die Elektroden permanent weißglühend, wodurch ein hoher Elektrodenmaterialabtrag möglich ist und eine Beschichtung in wenigen Sekunden erfolgen kann. Eine hohe Konstanz der Massenpartikelkonzentration ist nicht erforderlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine 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.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mittels einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Feststoffaerosols gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß zu Versuchs-, Meß- und Eichzwecken Feststoffaerosole mit hoher Massenkonstanz, konstanten Partikelkonzentrationen und kleinen reproduzierbaren Partikelgrößen, wie eines Kohlenstoffaerosols erzeugt werden, wobei die Elektroden axial gegeneinanderführbar sind und parallele benachbarte Stirnflächen aufweisen, eine Einrichtung zur Erzeugung einzelner Spannungspitzen mit einer Wiederholungsfrequenz von weniger als 1000 Hz zum Verdampfen von Elektrodenmaterial in einzelnen Funkenentladungen mit einer Hochspannungsquelle für mehr als 1000 V vorgesehen ist, Einrichtungen zum Führen eines Stromes eines inerten Gases zwischen den Elektroden hindurch vorgesehen sind, um die erzeugten Aerosolteilchen mitzuführen, an einer Elektrode ein Spannungsmeßgerät zur Messung der Überschlagsspannung anliegt und mit einer Regeleinrichtung für den die Elektroden synchron gegeneinanderbewegenden, geregelten Vorschubantrieb verbunden ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, daß zu Versuchs-, Meß- und Eichzwecken Feststoffaerosole mit hoher Massenkonstanz, konstanter Partikelkonzentration und mit kleinen reproduzierbaren Partikelgrößen, wie eines Kohlenstoffaerosols, erzeugt werden, wobei die Elektroden mit einander benachbarten parallelen Stirnflächen axial gegeneinander geführt werden, einzelne elektrische Funken mit einer Wiederholungsfrequenz von weniger als 1000 Hz durch an die Elektroden angelegte Spannungspitzen von mehr als 1000 V erzeugt werden, durch die einzelnen Spannungsspitzen-Funkenentladungen Elektrodenmaterial von den ebenen, parallelen benachbarten Stirnflächen der Elektroden verdampft wird und durch Kondensation kleinste Aerosolteilchen bildet, die Aerosolteilchen durch einen zwischen den Elektroden hindurchgeführten Gasstrom eines inerten Gases mitgeführt werden, die Überschlagsspannung zwischen den Elektroden gemessen und die Elektroden aufgrund der gemessenen Überschlagsspannung geregelt synchron gegeneinanderbewegt werden.
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.
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 einen Gas- und Partikelzuführungskanal ragen und damit der Abbrand der Elektroden mittig in einer Entladungskammer erfolgt.
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 als Elektrodenantriebsmotor dienenden 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.
Während grundsätzlich die Elektrodenabbrandrate konstant ist, so daß ein gesteuerter Antrieb vorgesehen sein könnte, wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine mit der Regeleinrichtung für den Vorschubantrieb weite Einstellbarkeit der Partikelkonzentrationen ermöglicht, indem der Vorschub - abhängig von jeweils gewünschter Partikelkonzentration - automatisch geregelt ist und hier nicht verschiedene externe Steuerprogramme vorgesehen sein müssen.
Durch die 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.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein Gaszuführungskanal für Trägergas und Teilchenstrom in einem als Funktionsblock dienenden PTFE-Körper ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß möglichst wenig Teilchen im Gaszuführungskanal haften bleiben, wodurch die ausgetragene Partikelkonzentration verändert werden könnte.
Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein Aerosolgenerator, insbesondere zum Erzeugen von reinem Kohlenstoffaerosol, aber auch zur Erzeugung von Aerosolen aus Metallen bzw. Inertgas 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.
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:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Feststoffaerosols weist einen Funktionsblock 2 aus PTFE oder einem entsprechenden Material mit schlechten Hafteigenschaften auf. In dem Funktionsblock 2 ist ein Gaszuführungskanal 3, vorzugsweise für ein inertes Trägergas wie Argon oder dergleichen, ausgebildet. An den Gaszuführungskanal 3 schließt sich eine Überschlags- oder Entladungskammer 3a an, in die senkrecht zu ihr, diagonal in diese zentral mündend Führungsdurchbrüche 4 für Feststoffelektroden 6 ausgebildet sind. 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 Oxid-Aerosole zu erzeugen.
Auf dem Funktionsblock 2 ist ein Gasführungsflansch 5 befestigt (Fig.3), der mit einem Gaseinlaß 5a (Fig. 4) versehen ist, der über eine Querbohrung 5b und Gaszuführungsbohrungen 5c zu dem Gaszuführungskanal 3 im Funktionsblock 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, diese schnell aus der Überschlagskammer 3a ausräumen, was eine hohe Entladungsfrequenz und damit eine hohe Aerosolteilchenrate ermöglicht.
Die Entladungskammer 3a mündet bei 3b in einen Aerosolauslaßkanal 3c (Fig. 5), in dem im Einmündungsbereich 3b eine Verdünnungsgasdüse 10 (Fig. 4) angeordnet ist. Hierdurch kann unter Beibehaltung der durch die mögliche hohe Entladungsfrequenz erzeugten hohen Teilchenrate die strömende Gasmenge vergrößert werden. Gleichzeitig kann die Konzentration der Aerosolpartikel in der vergrößerten Gasmenge über die gesamte Querschnittsbreite des Aerosolauslaßkanals 3c abgesenkt werden, wodurch ein Agglomerieren der Aerosolteilchen zu größeren Gebilden (Ketten, Flocken oder ähnliches) zuverlässig verhindert wird.
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 3a 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 Verdünnungsgasdüse 10 wird ein Eindringen des Mischgases in den Bereich zwischen den Elektroden 6 zuverlässig verhindert.
Die Elektroden 6 weisen flache, parallel zueinander gerichtete, einander gegenüberliegende Stirnseiten 7 auf, die einander in 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 Führungsdurchbrüchen 9 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.
Auf beiden Spindeln 12 sitzen Zahnscheiben 16,17, über die gemeinsam ein Zahnriemen 18 geführt ist, der ebenfalls über eine Zahnscheibe 19 (Fig. 2) eines Antriebsmotors 21 läuft. Die Spindeln 12 sind in ihren inneren und äußeren Endstellungen mittels Endschalter abschaltbar.
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 Elektrodenhülsen 6a die Elektroden 6 sicher halten.
Die Elektroden 4 sind über ein Speicherglied 22 (Fig. 6) wie beispielsweise ein RC-Glied, mit einem Hochspannungsnetzteil 23, das gegebenenfalls einen Transformator T aufweist, verbunden (eine der Elektroden 6 über "Erde", die andere mit dem weiteren Pol des Hochspannungsnetzteils 23 über das Speicherglied 22 direkt). Durch die angelegte Hochspannung werden Spannungsspitzen erzeugt, die zu einer Funkenbildung zwischen den Elektroden 6 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.
Weiter liegt an der direkt mit dem Hochspannungsnetzteil 23 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, dann setzt die Ausgangsspannung des Komparators 27 den Elektrodenantriebsmotor 21 in Betrieb, bis der Abstand und damit die Überschlagsspannung wieder ihren Sollwert erreicht haben. Hierdurch wird eine konstante Überschlagsspannung und ein konstanter Generatorbetrieb erreicht.
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.
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.