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Brenner für gasförmige oder flüssige Brennstoffe Die Erfindung betrifft
einen Brenner für gasförmige oder flüssige Brennstoffe.
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Es ist allgemein üblich, die Verbrennungsluft zu beschleunigen, um
Kesselwiderstände zu überwinden und um größere Luftmengen bei kleineren Abmessungen
des Kessels in den Verbrennungsraum zu bringen. Die Beschleunigung der Verbrennungsluft
erfolgt im allgemeinen durch Trommelgebläse, Ventilatorgebläse oder ähnliche Einrichtungen
mit mechanischem Antrieb. Da rotierende oder andere mechanisch bewegte Teile einer
Abnutzung unterliegen und Geräusche erzeugen, welch letztere insbesondere bei kleineren
Anlagen für Wohnraumbeheizung unerwünscht sind, besteht ein Bedürfnis nach Brennern,
bei welchen die Beschleunigung der Verbrennungsluft ohne mechanisch bewegte Teile
erfolgt. Diese Aufgabe konnte bisher jedoch nicht oder in praktisch unzulänglicher
Weise gelöst werden.
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Gemäß der Erfindung können nun die beschriebenen Nachteile überwunden
und weitere wesentliche Vorteile erzielt werden, indem die Verbrennungsluft und/oder
der Brennstoff ionisiert und durch elektrische Potentialunterschiede auf die erforderliche
Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt werden.
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Es zeigte sich, daß gemäß der Erfindung auf diese Weise nicht nur
ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, der mit den Wirkungsgraden von üblichen Gebläsen
durchaus vergleichbar ist, sondern daß auch durch die lonisierung des Brennstoffes
die Zündung des Luft- und Brennstoff-Gemisches sowie die Zerstäubung desselben wesentlich
verbessert werden. Es können mit anderen Worten größere Abstände der Zündelektroden
gewählt werden, so daß auch die Sicherheit der Zündung durch die längeren Funkenstrecken
und ein Ausfall durch Verschmutzung der Zündelektroden verbessert wird. Gemäß einer
später zu beschreibenden bevorzugten Ausführungsform gelingt es, die elektrische
Energie für die Zündfunken durch Abgabe der nicht mehr benötigten Ladungsmengen
aus dem Luftgemisch nach der Beschleunigung derselben zu gewinnen.
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Vorzugsweise wird die lonisierung und eine Teilbeschleunigung der
Verbrennungsluft oder des Brennstoffes durch mindestens eine Sprühelektrode mit
leitender Oberfläche erzielt, welche eine in der gewünschten Strömungsrichtung der
Verbrennungsluft und/oder des Brennstoffes zeigende Spitze oder Kante mit sehr kleinem
Krümmungsradius besitzt.
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Zur Erzielung einer entsprechenden Luftdurchsatzmenge wird es im allgemeinen
günstig sein, die Sprühelektrode band- oder blattförmig auszubilden oder diese aus
einer Metallfolie herzustellen, so daß die Sprühentladung an einer längeren Kante
zustande kommt. Zur Unterstützung der oder bei kleineren Anlagen als Ersatz für
die bandförmigen Elektroden können jedoch auch spitze Elektroden verwendet werden.
Selbstverständlich wird bei üblichen Hochspannungen, beispielsweise von 10 bis 40
kV, nur ein Teil der Luftmoleküle ionisiert und in Richtung weg von der Spitze oder
Kante der Sprühelektrode beschleunigt. Die Praxis zeigte jedoch, daß die nicht ionisierten
Luftmoleküle bei Atmosphärendruck oder entsprechendem Überdruck in Beschleunigungsrichtung
der ionisierten Teilchen mitgerissen werden, da die freie Weglänge von Ionen bei
etwa 10-5 cm liegt, so daß es zu einer genügend großen Anzahl von Zusammenstößen
ionisierter und nicht ionisierter Teilchen und dementsprechend zu der Mitnahme der
letzteren kommt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist stromabwärts im Abstand
von der Sprühelektrode mindestens eine Beschleunigungselektrode vorgesehen, die
einen größeren Potentialunterschied zu der Sprühelektrode hat. Vorzugsweise besitzt
die Beschleunigungselektrode eine isolierte Oberfläche, so daß bei kleineren Abständen
zwischen den Elektroden und dementsprechend höheren Feldstärken Überschläge zwischen
den Elektroden ohne weitere besondere Hilfsmittel vermieden werden. Wenn die Beschleunigungselektrode
eine blanke Oberfläche hätte, müßten Widerstände in den Stromversorgungskreisen
für die Elektroden vorgesehen werden, damit das Auftreten von Funkenüberschlägen
und Lichtbögen vermieden
wird. Dadurch würde der Gesamtwirkungsgrad
der Anlage wesentlich verschlechtert werden.
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Die isolierte Beschleunigungselektrode oder die Beschleunigungselektroden
umschließen vorzugsweise den Ausblendspalt, in welchem die Verbrennungsluft und/oder
der Brennstoff eingeblasen werden.
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Vorzugsweise sind die Sprühelektrode und die Beschleunigungselektrode
oder die Beschleunigungselektroden an einen Hochspannungstransformator angeschlossen,
so daß durch das Wechselfeld die Anhäufung von Haftladungen an dem Isolator der
Beschleunigungselektrode bei jedem Spannungswechsel abgebaut wird. Dieser Betrieb
mit Wechselstrom hat den besonderen Vorteil,- daß kostspielige Hochspannungs-Gleichrichtungsanlagen
vermieden werden. Zum Betrieb des Brenners gemäß der Erfindung genügt ein 2 - 5
kV Hochspannungstransformator, wie er beispielsweise bei üblichen Ölbrennern für
die Zündung benötigt wird. Selbstverständlich können für größere Luftdurchsatzmengen
Transformatoren von 2 - 20 kV oder darüber verwendet werden. Trotz des angelegten
Wechselfeldes wird der Luftstrom nur in einer Richtung beschleunigt. Der Abbau der
Hauptladungen an der Isolationsschicht der Beschleunigungselektrode verhindert,
daß der Beschleunigungseffekt verschlechtert und undefmiert wird.
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Stromabwärts hinter dem Ausblendspalt können weitere Beschleunigungsstufen
angeordnet sein. Jede dieser Beschleunigungsstufen besteht aus mindestens einer
Sprühelektrode und aus mindestens einer isolierten Beschleunigungselektrode. Die
Beschleunigungsstufen können auch je aus mehreren isolierten Beschleunigungselektroden
bestehen, von denen mindestens eine einen größeren Potentialunterschied gegenüber
der anderen hat. Der Abstand zwischen den Beschleunigungsstufen sollte größer sein
als der Abstand zwischen den einzelnen Beschleunigungselektroden jeder Beschleunigungsstufe,
damit die entgegengesetzt zur Strömungsrichtung von einer Beschleunigungsstufe zur
anderen verlaufenden Felder klein gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Brenners nach der Erfindung
wird mindestens ein Teil der beschleunigten Luft zum Ansaugen und/oder Zerstäuben
des Brenstoffes verwendet. Dies ist ohne weiteres möglich, da - wenn auch nur eine
einzige Anordnung aus einer Sprühelektrode und einer Beschleunigungselektrode verwendet
wird - bereits Luftgeschwindigkeiten erzielt werden können, die den erforderlichen
Unterdruck an der Ansaugöffnung für den Brennstoff erzeugen.
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Vorzugsweise sind die Sprühkanten der Sprühelektrode oder der Sprühelektroden
auf einen gemeinsamen Brennpunkt oder auf eine gemeinsame Brennlinie gerichtet,
so daß stromabwärts von den Sprühelektroden eine Erhöhung der Ladungsdichte in dem
Luftstrom erzielt wird. Die Erhöhung der Ladungsdichte in dem Luftstrom kann durch
entsprechend geformte Leitkörper für den Luftstrom unterstützt werden. Weiterhin
kann zu demselben Zweck der Luftstrom mittels elektrischer Felder umgelenkt werden.
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Gemäß der bereits obenerwähnten bevorzugten Ausführungsform kann die
Ladungsmenge in dem Luftstrom teilweise wiedergewonnen und zur Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches
ausgenutzt werden. Hierzu fängt vorzugsweise eine der Zündelektroden die Ladungen
des ionisierten Luftstromes ab. Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgt
dann durch Entladung dieser Elektrode gegen eine geerdete Gegenelektrode.
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Vorzugsweise sitzt die eine Zündelektrode in der Mitte des Verbrennungsluftstromes.
Die andere Zündelektrode ist ringförmig oder rohrförmig konzentrisch zu der erstgenannten
Zündelektrode angeordnet. Die Kapazität der Zündelektrode kann durch entsprechende
Wahl der Größe und Anordnung derselben oder durch Zuschalten mindestens eines Kondensators
so groß gehalten sein, daß unter Berücksichtigung des Abstandes zu der anderen Zündelektrode
Zündfunkenüberschläge durch die Selbstaufladung der Zündelektrode in dem ionisierten
Luftstrom zustande kommen. Selbstverständlich kann auch insbesondere bei kleineren
Anordnungen, bei denen die Rückgewinnung der Ladungsdichte des ionisierten Luftstromes
zur Zündung nicht ausreicht, eine entsprechende zusätzliche Spannung an die beiden
Zündelektroden gelegt werden. Dies bereitet keine Schwierigkeiten, da ja Hochspannung
aus dem Hochspannungstransformator zur Verfügung steht. Der Brenner gemäß der Erfindung
hat in diesem Fall jedoch den Vorteil, daß, wie bereits beschrieben, die Zündung
in dem ionisierten Luftstrom wesentlich besser verläuft als in einem nicht ionisierten
Luftstrom. Bei Wechselstrombetrieb können Gleichrichtermittel vorgesehen sein, welche
eine positive oder negative Aufladung der Zündelektrode aus dem Luftstrom bewirken.
Die Aufladung der Zündelektrode kann durch weitere stromabwärts oder stromaufwärts
angeordnete Fangelektroden oder Fanggitter unterstützt werden.
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Vorzugsweise ist die den Brennstoff in den beschleunigten Luftstrom
einführende Brennstoffdüse als Sprühelektrode ausgebildet.
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Gemäß einer speziellen bevorzugten Ausführungsform ist ein kegelstumpfförmiger
oder schirmförmiger Leitkörper aus isoliertem Material, vorzugsweise aus Keramik
oder Porzellan, vorgesehen, in dessen Basisrand die ringförmig ausgebildete Beschleunigungselektrode
eingebettet ist. Im Abstand von dem Basisrand des Leitkörpers ist die ringförmig
ausgebildete Sprühelektrode angeordnet, deren gegen die Symmetrieachse des Leitkörpers
geringere Kante scharfkantig ist. Es können mehrere Leitkörper dachartig übereinander
angeordnet sein, so daß zwischen jedem Paar Leitkörper ein Durchtrittsspalt für
die Verbrennungsluft oder den Brennstoff frei bleibt. Die Durchtrittsspalte münden
in eine gemeinsame Durchtrittsöffnung. Vorzugsweise sind die Leitkörper rotationssymmetrisch.
Die Ansaugöffnungen der Spalte verlaufen radial, während die Durchtrittsöffnungen
axial verlaufen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Nähe des
Brennerrohrmundstückes eine F1ammenstabihsierungselektrode angeordnet, welche auf
Grund ihres Potentials gegenüber den Ionen in der Flamme den Flammenfuß am Brennerrohrmundstück
hält.
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In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen des Gegenstandes
der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 schematisch eine Schnittansicht einer
bevorzugten Ausführungsform eines Ölbrenners gemäß der Erfindung, Fig.2 eine schaubildliche,
auseinandergezogene Darstellung des in Fig. 1 dargestellten Brenners mit geringfügigen
Abwandlungen,
Fig. 3 einen Schnitt eines Gasbrenners gemäß der Erfindung.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Leitkörper
aus Keramik oder Porzellan vorgesehen, welcher einen Anschlußflansch 1 zum Anschluß
des Brenners beispielsweise an eine Ofentür, ein Brennerrohrmundstück 2, eine schirmförmig
gekrümmte erste Leitwand 3, eine ähnlich gekrümmte Leitwand 4 und eine weitere Leitwand
5 besitzt. Zwischen der Leitwand 3 und der Leitwand 4 sind beispielsweise im Winkelabstand
von 120° Stützen 5 und zwischen der Leitwand 4 und der Leitwand 5 ähnliche
Stützen 6 zur Abstandshalterung vorgesehen.
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Der Leitkörper ist also rotationssymmetrisch aufgebaut. Er enthält
einen Ringspalt 7 zwischen den Leitwänden 3 und 4, welcher mit einer radialen Ansaugöffnung
7 a ins Freie und mit einer axialen Austrittsöffnung 7 b in das Brennerrohrmundstück
2 mündet. Weiterhin enthält der Leitkörper einen schmäleren Ringspalt 8 zwischen
den Leitwänden 4 und 5, welcher in ähnlicher Weise mit einer radialen Ansaugöffnung
8 a ins Freie und mit einer axialen Austrittsöffnung 86 in das Brennerrohrmundstück
2 öffnet.
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Im Abstand von den Ansaugöffnungen 7a und 8a ist je ein blanker
Elektrodenring 10 bzw. 11 angeordnet, dessen schmale Kante gegen die
Ansaugöffnung 7 a bzw. 8 u gerichtet ist. Diese Elektrodenringe bilden die Sprühelektroden.
Sie bestehen vorzugsweise aus Wolfram oder Rheniumfolie. Die Sprühelektroden
10
und 11 sind durch beispielsweise im Winkelabstand von 120° vorgesehene
Verbindungsschellen 12 miteinander verbunden. Sie werden durch Abstandshalter
13 aus Keramik an dem Leitkörper gehalten.
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In dem Randwulst der Leitwände 3, 4 und 5 ist je ein Drahtring
14, 15 bzw. 16 eingebettet, welche mittels einer gemeinsamen, in einer
der Stützen 5 und 6 verlaufenden Verbindungsleitung 17 mit einem Anschluß
18 für Hochspannung verbunden sind. Die Drahtringe 14, 15 und 16 bilden dementsprechend
isolierte Beschleunigungselektroden, die mit den Sprühelektroden 10 und 11 zusammenarbeiten.
Die Sprühelektroden 10 und 11 haben einen größeren Potentialunterschied
zu den Beschleunigungselektroden 14, 15 und 16, beispielsweise von
10 kV.
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Auf dem in das Brennerrohrmundstück 2 mündenden Randwulst der
Leitwand 4 sitzt ein Metallring 20, der über eine Leitung 21 und einen
Anschluß 22 geerdet ist.
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Auf der Leitwand 5 sitzt ein kegeliger Metallkörper 23, welcher
eine Bohrung 24 zur Zuführung des Brennstoffes, beispielsweise Öl, besitzt.
Das Öl wird dabei aus einem Behälter 25 angesaugt, der über eine Zuführungsleitung
26 dieses vorzugsweise unter Druck erhält.
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Die Wirkungsweise des in Fig.l dargestellten Brenners ist folgende:
An die Sprühelektroden 10 und 11 wird die eine Klemme und an den Anschluß
18 für die Beschleunigungselektroden 14, 15 und 16 die andere Klemme
eines Hochspanungstransformators angeschlossen. Die geerdete Mittelanzapfung des
Hochspannungstransformators wird mit dem Anschluß 22 verbunden.
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Da die Felddichte an der schmalen Kante der Sprühelektroden
10 und 11 sehr hoch ist, beispielsweise 101 V/cm beträgt, treten bei
einer Halbwelle der angelegten Wechselspannung Elektronen aus den Kanten der Sprühelektroden
10 und 11 aus. Bei der anderen Halbwelle werden Elektronen aus der
Umgebungsluft angesaugt, wobei bei beiden Halbwellen die ionisierten Luftmoleküle
von diesen Kanten der Sprühelektroden 10 und 11 abgestoßen werden.
Die ionisierten Luftmoleküle nehmen die nicht ionisierten Moleküle mit, so daß nach
dem Prinzip des elektrischen Windes ein starker Luftstrom von den Sprühelektroden
10 und 11 in Richtung auf die Ansaugöffnungen 7 und 8 abgestrahlt
wird. Dieser Luftstrom erhält eine starke Beschleunigung durch die isolierten Beschleunigungselektroden
15, 16 und 17. Durch entsprechende Wahl des Abstandes der Sprühelektroden
10 und 11 von den Beschleunigungselektroden 14, 15 und 16 und dadurch, daß
jeder Sprühelektrode zwei symmetrisch zur Beschleunigungsrichtung angeordnete Beschleunigungselektroden
gegenüberstehen, wird dabei gewährleistet, daß der Hauptteil der ionisierten Gasmoleküle
und der mitgenommenen nichtionisierten Gasmoleküle von den Beschleunigungselektroden
15
und 16 nicht abgelenkt, sondern in den Ringspalt 7 bzw. 8 getrieben
wird.
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Aus der Austrittsöffnung 8 6 des Ringspaltes 8 tritt ein stärkerer
Luftstrom aus, der Brennstoff aus der Bohrung 24 ansaugt und zerstäubt. Ein
Teil der ionisierten Gasmoleküle gibt seine Ladung an den Metallkörper 23 ab. Bei
Betrieb des Brenners mit Gleichstrom wird sich dementsprechend der Metallkörper
23 positiv oder negativ aufladen. Wenn die Aufladung groß genug ist, kommt
ein Zündfunkenüberschlag zu dem Metallring 20 zustande. Der Zündfunkenüberschlag
wird weiterhin durch die übrigbleibenden Ionen in dem Brennstoff-Luft-Gemisch erleichtert.
Durch die Austrittsöffnung 7 b tritt ein weiterer kräftiger Luftstrom aus, welcher
die nötige Verbrennungsluft liefert. Bei Betrieb mit Wechselstrom können zwischen
dem Metallring 20 und dem Metallkörper 23 entsprechende Gleichrichtermittel
eingeschaltet werden, die durch die jeweilige Umpolung eine Aufladung des Metallkörpers
23 in einem Sinn bewirken.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dienen der Metallkörper
23 und der Metallring 20 also als Zündelektroden. Der Metallkörper 23 dient jedoch
auch weiterhin infolge seines Potentialunterschiedes zu dem Metallring
20 als weitere Sprühelektrode, wobei der Metallring 20 die Funktion
einer Beschleunigungselektrode übernimmt. Hierdurch wird eine besonders günstige
Durchwirbelung des zerstäubten Brennstoffes mit der aus der Austrittsöffnung
8 b austretenden Zerstäuberluft und dem der aus der Austrittsöffnung 7 b
austretenden Verbrennungsluft erzielt.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird beispielsweise
bei einem Durchmesser der Sprühelektroden 10 und 11 von etwa 15 cm
und einer Betriebsspannung von 2 - 5 kV eine Geschwindigkeit der Verbrennungsluft
über 20 m/s und ein Luftdurchsatz von etwa 200 M3/h erzielt. Der Gesamtstromverbrauch
des Brenners betrug 16 Watt. Der Luftdurchsatz reichte zur Verbrennung von etwa
10 kg Heizöl je Stunde aus. Die Gesamtbauhöhe des Brenners betrug etwa 10 cm. Die
erzielte Geschwindigkeit des Luftstromes und die Luftdurchsatzmenge sind in erster
Linie von dem Abstand zwischen der Sprühelektrode und der Beschleunigungselektrode,
dem Krümmungsradius der Sprühkante der Sprühelektrode und der angelegten Spannung
abhängig. Der Krümmungsradius der Sprühelektrode sollte jedoch andererseits nicht
zu klein gewählt werden, da bei zu
hohen Flächenfeldstärken eine
Abtragung des Materials auftreten kann. Besonders vorteilhaft ist dementsprechend,
wenn die Sprühelektrode in Form eines Bandes oder einer Folie gleichmäßiger Stärke
ausgebildet wird, da somit keine Vergrößerung des Krümmungsradius der Sprühkante
der Sprühelektrode bei Abnutzung auftreten kann. Der Brenner läuft, wenn Isolationsdurchschläge
vermieden werden, geräuschlos. Diese Vorteile machen den Brenner als Kleinbrenner,
beispielsweise für in der Küche aufgestellte Etagenheizungsöfen, besonders vorteilhaft,
da dort meistens der Platz fehlt, um die üblichen langen Brennerrohre mit Gebläse
an die Ofen anzusetzen.
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Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform wurde der Metallring
20 isoliert in die Leitwand 4
eingebettet, so daß dementsprechend dem
als Sprühelektrode wirkenden Metallkörper 23 eine isolierte Beschleunigungselektrode
gegenübersteht.
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In Fig. 3 ist schematisch ein Gasbrenner dargestellt, welcher ähnlich
wie der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebene ölbrenner aufgebaut ist.
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In ein Gefäß 30 wird über einen Anschluß 31 ein Gas,
z. B. Erdgas, eingeleitet. Die schirmförmig ausgebildete Leitwand 5 wird von einem
Isolatorstab 32 gehalten, der eine Leitung 33 besitzt. Die Leitung 33 führt zu einem
in der Spitze der Leitwand 5 isoliert eingebetteten Metallkörper 34. Die
obere Seite des Gefäßes 30 wird von der Leitwand 4 gebildet.
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Durch den Sprühelektrodenring 11 wird das in dem Gefäß 30 befindliche
Gas in die Ansaugöffnung 8a des Ringspaltes 8 getrieben, während die Beschleunigungselektroden
15 und 16 für eine entsprechende Beschleunigung des Gases sorgen. Der Sprühelektrodenring
10 treibt die Umgebungsluft in die Ansaugöffnung 7 a des Ringspaltes 7, wobei
durch die Beschleunigungselektroden 14 und 15 eine entsprechende Beschleunigung
des Luftstromes erzielt wird.
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An dem Randwulst der Leitwand 3 sitzt ein Metallring 35. Bei dieser
Ausführungsform ist also den von den Sprühelektroden 10,11 und den Beschleunigungselektroden
14, 15, 16. gebildeten Beschleunigungsstufen stromabwärts eine weitere Beschleunigungsstufe
nachgeschaltet, welche von der isolierten Elektrode 14 und dem blanken Metallring
20 gebildet wird. An die Leitung 33 ist dementsprechend der eine Pol der
Hochspannungsquelle angeschlossen. Die Verbindung des Metallringes 20 mit
dem anderen Pol der Hochspannungsquelle erfolgt über eine Leitung 36 in der
Leitwand 4 und über einen Anschlußstecker 37. Weiterhin dient der Metallring
20 als eine der Zündelektroden und zum Abfangen der Ladungsträger in dem
ionisierten Gas. Die andere Zündelektrode wird von dem geerdeten Metallring 35 gebildet.