DE3325070A1 - METHOD AND DEVICE FOR SPRAYING ELECTRICALLY CONDUCTIVE LIQUIDS - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR SPRAYING ELECTRICALLY CONDUCTIVE LIQUIDSInfo
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Abstract
Description
BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, BayerwerkBAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk
ZentralbereichCentral area
Patente, Marken und Lizenzen Ki/m-cPatents, trademarks and licenses Ki / m-c
11. Juli 1083July 11, 1083
Verfahren und Vorrichtung fs.·'P Ί ^ ^^ -■' -j"·" FlüssigkeitenMethod and device f s. · 'P Ί ^ ^^ - ■' -j "·" liquids
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Versprühen elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten mit einem spezifischen Widerstand *-10 -".m, insbesondere von wäßrigen Pflanzenschutzmittellösungen.The invention relates to a method and a device for spraying electrically conductive liquids with a specific resistance * - 10 - ". M, in particular of aqueous pesticide solutions.
Das Versprühen von Flüssigkeiten, insbesondere von Lösungen oder Dispersionen unter Einwirkung elektrischer Felder ist aus verschiedenen Gebieten der Technik bekannt. Als Beispiele seien die Beschichtung mit Lacken in der Autoindustrie und die großflächige Anwendung von Pflanzenschutzmitteln in der Landwirtschaft genannt. Pflanzenschutzpräparate werden in bekannter Weise als Dispersionen in Wasser in Form von Suspensionen oder Emulsionen unter Anwendung von Düsen oder Rotationszerstäubern über den zu behandelnden Pflanzenbeständen versprüht und mit mehr oder weniger gutem Erfolg auf den Blättern der Pflanzen, hauptsächlich an der Oberseite der freistehenden Blätter niedergeschlagen.The spraying of liquids, especially solutions or dispersions, under the action of electrical power Felder is known from various fields of technology. Examples are coating with paints in the automotive industry and the widespread use of pesticides in agriculture. Plant protection products are in a known manner as dispersions in water in the form of suspensions or Emulsions sprayed over the crops to be treated using nozzles or rotary atomizers and with more or less good success on the leaves of the plants, mainly on the upper side knocked down of the freestanding leaves.
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Damit die Pflanzenschutzmittel optimal wirksam werden können, ist es jedoch notwendig, daß auch die Unterseite der Blätter und die Stengel von dem versprühten Präparat getroffen werden. Beim Versprühen im Freien wird häufig ein Teil des Sprühnebels durch den Wind abgetrieben und zu anderen Pflanzen getragen, die nicht behandelt werden sollen. Ferner geht ein großer Teil durch Absinken zum Erdboden oder durch Abtrift verloren. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren angegeben, bei dem das gelöste Präparat an einer hochspannungführenden Elektrode elektrostatisch zerstäubt wird, wobei die entstehenden, sehr feinen Aerosoltröpfchen unipolar hoch aufgeladen sind. Mit diesem Verfahren kann die Flüssigkeit auf geerdeten Objekten wirkungsvoller abgeschieden werden, da die Pflanzen als Gegenelektrode zur Zerstäubung selektrode die geladenen Tröpfchen anziehen. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß nur organische Flüssigkeiten, deren spezifischer elektrischer Widerstand in einem bestimmten Bereich liegt (ca. 10 Jt.m bis 10 Jt.m), elektrostatisch zerstäubt und abgeschieden werden können. Insbesondere können wäßrige Lösungen wegen der zu hohen Oberflächenspannung und wegen des zu niedrigen spezifischen Widerstandes ($ ~ = 5,7it.m) nicht verarbeitet werden.In order for the pesticides to be optimally effective, however, it is necessary that the underside of the leaves and the stems are also affected by the sprayed preparation. When spraying outdoors, part of the spray is often carried away by the wind and carried to other plants that are not to be treated. Furthermore, a large part is lost through sinking to the ground or drifting. For this reason, a method has been specified in which the dissolved preparation is electrostatically atomized at a high-voltage electrode, with the resulting, very fine aerosol droplets being highly charged in a unipolar manner. With this method, the liquid can be deposited more effectively on earthed objects, since the plants, acting as a counter electrode to the atomizing electrode, attract the charged droplets. However, the method has the disadvantage that only organic liquids whose specific electrical resistance is in a certain range (approx. 10 Jt.m to 10 Jt.m) can be electrostatically atomized and deposited. In particular, aqueous solutions cannot be processed because of the excessively high surface tension and the excessively low specific resistance ( $ ~ = 5.7it.m).
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die hochgeladenen, sehr feinen Tröpfchen vor allem bei dichten Pflanzenbeständen nur an den außenliegenden Teilen der Pflanzen abgeschieden werden, nicht aber in die elektrischAnother disadvantage is that the highly charged, very fine droplets especially in dense stands of plants are deposited only on the outer parts of the plants, but not in the electrical ones
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abgeschirmten inneren Teile der Bestände eindringen. Ferner läßt sich die Aufladungshöhe der Tropfen nicht auf einfache Weise steuern, da nur eine hohe Aufladung der Flüssigkeit am Rande der Sprühelektrode den Zerstäubungseffekt einleitet. Bei der Reduzierung der Elektrodenspannung geht lediglich der Zerstäubungsvorgang in ein Abtropfen der Flüssigkeit über.invade shielded inner parts of the stocks. Furthermore, the charge level of the drops cannot be determined control in a simple way, since only a high charge of the liquid at the edge of the spray electrode can cause the atomization effect initiates. When reducing the electrode voltage, only the atomization process goes into a dripping of the liquid over.
Aus praktischen Erfahrungen beim Aufbringen von Pflanzenschutzmitteln ergeben sich folgende Anforderungen:From practical experience in applying pesticides the following requirements arise:
1. Wäßrige, nicht brennbare Formulierungen sind organischen Flüssigkeiten vorzuziehen.1. Aqueous, non-flammable formulations are preferable to organic liquids.
2. Die Tropfengrößen sollen im Bereich von 100 - 250 μΐη liegen.2. The droplet sizes should be in the range of 100-250 μm lie.
3. Die Eindringtiefe der Flüssigkeitstropfen in den Pflanzenbestand soll einstellbar sein. Unter der "Eindringtiefe" wird dabei der Bereich verstanden, der beim Sprühvorgang von oben her gesehen; d.h. von der Spitze der Pflanze aus, erfaßt wird. Die Eindringtiefe könnte z.B. durch Veränderung der Tropfengröße oder durch Veränderung der Tropfenladung variiert werden. Schwere, ungeladene Tropfen fallen auf dem'kürzesten Wege zu Boden. Dagegen werden leichte, hochgeladende Tröpfchen aus der Flugbahn des freien Falles am stärksten abgelenkt und von den am weitesten hervorstehenden Teilen der Pflanzen angezogen. Beide Extremfälle sind3. The depth of penetration of the liquid droplets into the vegetation should be adjustable. Under the "Penetration depth" is understood to mean the area that is seen from above during the spraying process; i.e. from the top of the plant. The penetration depth could e.g. by changing the Drop size or by changing the drop charge can be varied. Heavy, uncharged drops fall to the ground by the shortest route. On the other hand, there are light, highly charged droplets from the Free fall trajectory most deviated and from the most protruding parts attracted to the plants. Both extreme cases are
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unerwünscht. Angestrebt wird vielmehr ein Verfahren, daß die gezielte Einstellung des Verhältnisses von Tropfenladung zu Tropfenmasse ermöglicht, da auf diese Weise die Zonen zwischen den obersten und den untersten Schichten der Bestände erfaßt werden können.undesirable. Rather, the aim is a process that the targeted setting of the ratio of Allows drop charge to drop mass, as in this way the zones between the uppermost and the The lowest strata of the stocks can be recorded.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sprühverfahren für wäßrige Flüssigkeiten und die dazu notwendige Vorrichtung zu entwickeln, das die obengenannten Bedingungen erfüllt.The invention is based on the object of a spray method for aqueous liquids and the necessary To develop a device that meets the above conditions.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Flüssigkeit mit einer so geringen Strömungsgeschwindigkeit aus einer Düse oder Kapillare austreten läßt, daß sie unmittelbar hinter der Düse bzw. Kapillare einen zusammenhängenden Flüssigkeitsfaden bildet, der anschließend in einzelne Tropfen zerfällt und daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkeitsfaden, mindestens 500 V gegenüber Erde, die Tropfengröße stabilisiert und ein Sprühkegel erzeugt wird, dessen öffnungswinkel von der Höhe der Spannung abhängt.This object is achieved according to the invention in that you exit the liquid with such a low flow rate from a nozzle or capillary lets that it forms a continuous thread of liquid immediately behind the nozzle or capillary, the then disintegrates into individual drops and that by applying an electrical voltage to the liquid thread, at least 500 V against earth, the drop size stabilized and a spray cone is generated, the opening angle of which depends on the level of tension.
Vorzugsweise stellt man die Strömungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Abmessungen der Düse bzw. der Kapillare über den Betriebsdruck so ein, daß die Länge des zusammenhängenden Flüssigkeitsfadens hinter der Austrittsöffnung 2 bis 100 mm, vorzugsweise 5-20 mm, beträgt. Praktisch erreicht man dies für eine wenige Millimeter lange Kapillare bei einem Flüssigkeitsdruck von 0,1 bis 10 bar, vorzugsweise 1 bis 3 bar.The flow rate is preferably set taking into account the dimensions of the nozzle or the capillary above the operating pressure so that the length of the continuous liquid thread is behind the outlet opening is 2 to 100 mm, preferably 5-20 mm. In practice this is achieved for a few Millimeter long capillary at a liquid pressure of 0.1 to 10 bar, preferably 1 to 3 bar.
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Es wurde gefunden, daß man die Eindringtiefe des Sprühnebels bei dichten Pflanzenbeständen durch Veränderung des Flüssigkeitsdruckes steuern kann.It has been found that the penetration depth of the spray mist in dense stands of plants can be changed the fluid pressure can control.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Sprühverfahrens ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von strömungstechnisch parallel geschalteten Sprühelementen, die aus Kapillaren bestehen, wobei jede der Kapillaren von einem konzentrischen Schutzmantel umgeben ist, der sich auf dem gleichen elektrischen Potential befindet wie die Kapillaren, sowie durch einen Hochspannungsgenerator, dessen hochspannungsseitiger Ausgang mit der durch die Kapillaren strömenden Flüssigkeit leitend verbunden ist. Dabei ist der Schutzmantel einseitig durch eine Bodenplatte abgeschlossen und bildet einen Topf, dessen Boden von der Kapillare durchbrochen wird. Die zu versprühende Flüssigkeit wird von einem mit der Kapillare verbundenen Vorratsbehälter geliefert. Die Sprühstelle, d.h. das Ende der Kapillare befindet sich innerhalb des Topfes. Der zur Aufrechterhaltung der Strömung notwendige Vordruck wird mit einer Pumpe erzeugt, die den Vorratsbehälter auf überdruck hält.The device for carrying out the spraying process is characterized by a large number of fluidic spray elements connected in parallel, which consist of capillaries, each of the capillaries of a concentric Protective jacket is surrounded, which is at the same electrical potential as the capillaries, as well by a high-voltage generator, the high-voltage side of which corresponds to the output flowing through the capillaries Liquid is conductively connected. The protective jacket is closed off on one side by a base plate and forms a pot, the bottom of which is pierced by the capillary. The liquid to be sprayed will supplied from a reservoir connected to the capillary. The spray point, i.e. the end of the capillary is inside the pot. The pre-pressure necessary to maintain the flow is provided with a Pump generated that keeps the reservoir at overpressure.
Die gesamte Vorrichtung läßt sich raumsparend aufbauen. Insbesondere kann ein tragbares Sprühgerät realisiert werden, das nach diesem Prinzip arbeitet. Dementsprechend besteht eine Weiterentwicklung der Erfindung darin, daß ein Träger vorgesehen ist, an dem die Sprühelemente angeordnet sind und der Träger an einer stabförmigenThe entire device can be set up in a space-saving manner. In particular, a portable sprayer can be implemented that works according to this principle. Accordingly, there is a further development of the invention that a carrier is provided on which the spray elements are arranged and the carrier is provided on a rod-shaped one
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Halterung angebracht ist, die einen batteriebetriebenen Hochspannungsgenerator, eine Luftpumpe zur Erzeugung des Vordruckes an den Kapillaren und einen Vorratsbehälter für die zu versprühende Flüssigkeit enthält.Bracket is attached, which is a battery-powered high-voltage generator, an air pump for generating of the pre-pressure on the capillaries and a storage container for the liquid to be sprayed.
Spezielle Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Special embodiments and developments of the invention are described in the subclaims.
Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:The invention achieves the following advantages:
a) Es wurde gefunden, daß sich mit dem neuen Verfahren wäßrige Lösungen, ebenso wie Salzlösungen sowie wäßrige Suspensionen und Emulsionen problemlos versprühen und auf Zielobjekten niederschlagen. Derartige Flüssigkeiten können bekanntlich auf rein elektrostatischem Wege nicht zerstäubt werden.a) It has been found that with the new process, aqueous solutions, as well as salt solutions as well Spray aqueous suspensions and emulsions without any problems and apply them to target objects. It is known that such liquids cannot be atomized in a purely electrostatic manner.
b) Die Tropfenaufladung oder das Ladung/Masseverhältnis der Tropfen ist durch die Höhe der angelegten Spannung bestimmt und kann in weiten Grenzen eingestellt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Sprühcharakteristik über die elektrische Spannung zu steuern. Dieser Vorteil, der für die Anwendung von Pflanzenschutzformulierungen von großer Wichtigkeit ist, kann bei den bekannten rein elektrostatischen Verfahren für die Zerstäubung von Flüssigkeiten ebenfalls nicht erreicht werden.b) The drop charge or the charge / mass ratio the drop is determined by the level of the applied voltage and can be set within wide limits will. This makes it possible to control the spray characteristics via the electrical Control tension. This advantage, for the application of crop protection formulations of is of great importance, can in the known purely electrostatic process for the atomization of Liquids cannot be reached either.
c) Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur rela-2^ tiv niedrige Flüssigkeitsdrucke erforderlich sind.c) A further advantage is that only rela- tively 2 ^ low fluid pressures are required.
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Der notwendige Vordruck kann mit Hilfe von Pumpen einfacher Bauart erzeugt werden.The necessary pre-pressure can be generated with the help of pumps of simple design.
d) Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit geringem apparativem Aufwand verwirklicht werden. Insbesondere kann die Vorrichtung so kompakt und raumsparend aufgebaut werden, daß nunmehr tragbare, leicht zu bedienende Sprühgeräte für wäßrige Pflanzentschutzformulierungen zur Verfügung stehen.d) The process according to the invention can be implemented with little outlay in terms of equipment. In particular the device can be built so compact and space-saving that now portable, easy-to-use sprayers for aqueous pesticide formulations are available.
e) Da bei dem Verfahren nur relativ große Tropfen mit einem engen Tropfengrößenspektrum entstehen, werden gesundheitsschädliche Aerosole (Personengefährdung durch Einatmen) vermieden.e) Since the process only produces relatively large drops with a narrow drop size spectrum harmful aerosols (personal risk from inhalation) avoided.
Bevor die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben wird, soll im folgenden das Prinzip und die physikalischen Grundbedingungen des neuen Sprühverfahrens genauer erläutert werden. Es zeigenBefore the invention is described in more detail with reference to exemplary embodiments and drawings, the following is intended the principle and the basic physical conditions of the new spraying process are explained in more detail. Show it
Fig. 1 den Zerfall eines Flüssigkeitsfadens in Tropfen nach dem Austritt aus einer Kapillare;1 shows the disintegration of a thread of liquid into drops after emerging from a capillary;
Fig. 2 die Erzeugung eines Sprühkegels durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkeitsfaden; 2 shows the generation of a spray cone by applying an electrical voltage to the liquid thread;
Fig. 3a,b die Steuerung der Eindringtiefe des Sprühkegels beim Besprühen von Pflanzenbeständen;3a, b the control of the penetration depth of the spray cone when spraying crops;
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Fig. 4a,b die Steuerung der Eindringtiefe des Sprühkegels durch Änderung der Sprührichtung;Fig. 4a, b the control of the penetration depth of the spray cone by changing the direction of spray;
Fig. 5a,b eine Möglichkeit zur Erhöhung der Raumladungsdichte am Zielort durch gerichtete Sprühstrah-. len;5a, b show a possibility of increasing the space charge density at the destination by directed spray. len;
Fig. 6 schematisch ein komplettes tragbares Sprühgerät; 6 schematically shows a complete portable sprayer;
Fig. 7 den bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 verwendeten Träger (Sprühkopf) mit Sprühelementen und7 shows the carrier (spray head) used in the device according to FIG. 6 with spray elements and
Fig. 8 ein einzelnes Sprühelement.8 shows a single spray element.
Bekanntlich zerfällt ein mit geringer Geschwindigkeit
aus einer einfachen Lochdüse oder Kapillare austretender Wasserstrahl in definierter Weise in Tropfen bestimmter
Größe. Der an der Austrittsstelle noch zusammenhängende glatte Strahlteil bzw. Flüssigkeitsfaden zeigt nach
einer kurzen Anfangsstrecke periodisch wiederkehrende
Einschnürungen, die sich mit größer werdendem Abstand
von der Austrittsöffnung vertiefen, bis es schließlich
zur Abtrennung einzelner Tropfen kommt, deren Durch-It is well known that one disintegrates at a slow rate
Water jet emerging from a simple perforated nozzle or capillary in a defined manner in droplets of a certain size. The smooth jet part or liquid thread still connected at the exit point shows
a short initial stretch periodically recurring
Constrictions that expand with increasing distance
from the outlet opening until it finally deepens
for the separation of individual drops, the
messer in direktem Zusammenhang mit dem Durchmesser des zusammenhängenden Strahlteils steht. Dieser Vorgang ist
in Fig. 1 dargestellt. Aus der Kapillare 1 mit dem
Durchmesser 100 μπι wird ein Flüssigkeitsstrahl 2
(z.B. Wasser) mit einer Geschwindigkeit V = 6 m/Sek.knife is directly related to the diameter of the contiguous beam part. This process is shown in FIG. From the capillary 1 with the
Diameter 100 μπι is a liquid jet 2
(e.g. water) at a speed of V = 6 m / sec.
ausgestoßen, dessen Form zunächst auf einer Strecke von einigen cm Länge zylindrisch bleibt, danach aber an der Oberfläche Einschnürungen 3 zeigt, die sich in gleichenejected, the shape of which initially remains cylindrical for a distance of a few cm in length, but then on the Surface constrictions 3 shows, which are in the same
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Abständen wiederholen und dabei weiter vertiefen, bis sich schließlich einzelne Tropfen 4 von dem Strahl ablösen. Repeat the intervals and deepen it further until finally individual drops 4 detach from the jet.
Die untere Bereichsgrenze für die Geschwindigkeit der ausströmenden Flüssigkeit ist dann erreicht, wenn sich an der Austrittsöffnung kein zusammenhängender Flüssigkeitsfaden mehr ausbildet, sondern die Flüssigkeit abtropft. Die obere Grenze für die Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist dann gegeben, wenn die Laminarströmung in eine turbulente übergeht und der Zerfall in Tropfen gleicher Größe durch einen Zerstäubungsvorgang ersetzt wird, wobei eine breite Streuung der Tropfengrößen eintritt. Der hier beschriebene Zerfall eines Flüssigkeitsfadens in Tropfen wird als "natürlicher Strahlzerfall" bezeichnet.The lower limit of the range for the speed of the outflowing liquid is reached when no longer forms a coherent liquid thread at the outlet opening, but rather the liquid drips off. The upper limit for the exit velocity of the liquid is given when the laminar flow turns into a turbulent one and the disintegration into drops of the same size is replaced by an atomization process, with a wide spread of the Droplet sizes occurs. The disintegration of a thread of liquid into drops described here is called "more natural Ray disintegration ".
Der Durchmesser d der Tropfen 4 beim natürlichen Strahlz.erfall läßt sich aus dem Strahldurchmesser D und dem Abstand der Einschnürungen bzw. der Zerfallswellenlänge "λ nach folgender Formel berechnen:The diameter d of the droplets 4 during natural jet decay can be calculated from the jet diameter D and the distance between the constrictions or the decay wavelength "λ using the following formula:
d =d =
V 1,5 D2 A = 1,89 DV 1.5 D 2 A = 1.89 D.
In der Praxis kann für die Wellenlänge A = 4,5 D gesetzt werden. Neben den Tropfen 4 mit dem rechnerisch zu ermittelnden Durchmesser d entstehen zusätzlich mit einem sehr kleinen Volumenanteil sekundäre Satellitentröpfchen 5, deren Durchmesser d z..B. bei d = 0,2 d liegt. Verfolgt man die so erzeugten Tropfen auf ihrer In practice, A = 4.5 D can be set for the wavelength. In addition to the droplets 4 with the computationally determined diameter d, secondary satellite droplets 5 also arise with a very small volume fraction, the diameter d of which, for example. is at d = 0.2 d. If one follows the drops produced in this way on theirs
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Flugbahn, z.B. über die Flugstrecke von 1 m, so stellt man fest, daß ein großer Teil der Tropfen durch Rekombination in größere Tropfen 6 und 7 umgewandelt wird. Anstelle der erwarteten Tropfengrößen d = 189 μπι, ergeben sich Tropfen, deren Größe im Bereich von 190 bis 800 μπι, d.h. weit außerhalb des gewünschten Bereiches liegt. Der Vorgang der Rekombination der Tropfen auf dem Flugwege kann photographisch nachgewiesen werden.Trajectory, e.g. over a flight distance of 1 m, it is found that a large part of the drops are caused by recombination is converted into larger drops 6 and 7. Instead of the expected drop sizes d = 189 μπι, result drops whose size is in the range from 190 to 800 μm, i.e. far outside the desired range lies. The process of recombination of the drops on the flight path can be demonstrated photographically.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß man die Rekombi-Surprisingly, it has been found that the recombination
^ 0 nation zu größeren Tropfen verhindern kann, wenn an den zusammenhängenden Teil des elektrisch leitfähigen Flüssigkeitsfadens eine elektrische Spannung gegenüber Erde angelegt wird. Die Tropfen bleiben dann in ihrer Originalgröße erhalten und erreichen unverändert den Auffänger, auch wenn dieser weit entfernt ist. Darüber hinaus entsteht ein weit geöffneter Sprühkegel, der aus elektrisch geladenen Tröpfchen besteht, die sich gezielt auf geerdeten Objekten abscheiden lassen. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 dargestellt. Die Strömungsbedingungen sind die gleichen wie bei dem Strahlzerfall gemäß Fig. 1, jedoch mit einer elektrischen Spannung von 10 kV gegenüber Erde, die an den zusammenhängenden Flüssigkeitsfaden 2 angelegt wird. Die Kapillare 1 besteht aus elektrisch leitfähigem Material, z.B. Metall, und hat ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von ca. 50 : 1. Der Flüssigkeitsdruck an der Kapillare wird auf Werte von 0,1 bis 10 bar, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 bar eingestellt. Unter diesen Bedingungen ergibt sich an^ 0 nation can prevent larger drops if at the coherent part of the electrically conductive liquid thread applied an electrical voltage to earth will. The drops then remain in their original size and reach the catcher unchanged, even if this is far away. In addition, a wide-open spray cone is created, which is made electrically There are charged droplets that can be deposited specifically on earthed objects. This process is shown in FIG. The flow conditions are the same as for the jet disintegration according to FIG. 1, however with an electrical voltage of 10 kV with respect to earth, which is applied to the contiguous liquid thread 2 is created. The capillary 1 is made of electrically conductive material such as metal and has a ratio from length to diameter of approx. 50: 1. The liquid pressure at the capillary is reduced to values of 0.1 up to 10 bar, preferably in the range from 1 to 3 bar. Under these conditions, results in
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der Kapillare ein zusammenhängender Flüssigkeitsfaden mit einer Länge von 2 bis 100 mm, vorzugsweise 5 bis 20 mm. Anstelle von Kapillaren können für die Strahlerzeugung auch einfache Lochdüsen verwendet werden, deren Lochdurchmesser im Bereich von 50 um bis 500 μπι, vorzugsweise zwischen 100 μΐη und 200 μπι, liegt. Das Verhältnis zwischen Länge und Weite der Lochdüse beträgt dabei z.B. 3:1 .the capillary is a continuous thread of liquid with a length of 2 to 100 mm, preferably 5 to 20 mm. Instead of capillaries can be used for beam generation simple hole nozzles can also be used, the hole diameter of which is in the range from 50 μm to 500 μm, preferably between 100 μΐη and 200 μπι is. The relationship between the length and the width of the hole nozzle is, for example, 3: 1.
Die Hochspannung im Bereich von 10 bis 50 kV, die von dem Hochspannungsgerät 8 geliefert wird, wird über die Kapillare 1 an den zusammenhängenden Flüssigkeitsfaden 2 angelegt. Durch die Spannung und das dadurch hervorgerufene elektrische Feld wird an der Oberfläche des leitfähigen Flüssigkeitsfadens eine elektrische Ladung hoher ^5 Dichte influenziert, wobei die höchste Dichte der Oberflächenladung am Ende des Flüssigkeitsfadens, etwa an der Stelle 9 auftritt. Die sich ablösenden Tropfen 4 und 5 übernehmen dabei einen Teil dieser Oberflächenladung. Eine wesentliche Rolle spielt dabei, daß es sich um eine leitfähige Flüssigkeit handelt, deren spezifischer Widerstand ^-10 Ji.m ist. Nach unten ist dem Widerstand keine Grenze gesetzt. Die Flüssigkeit kann beliebig gut leitfähig sein.The high voltage in the range from 10 to 50 kV, which is supplied by the high-voltage device 8, is applied to the continuous liquid thread 2 via the capillary 1. By the voltage and the electric field caused thereby, a high electric charge density ^ 5 is influenced at the surface of the conductive liquid thread, with the highest density of the surface charge occurs at the end of the liquid thread, about at the location. 9 The detaching drops 4 and 5 take over part of this surface charge. An essential role is played by the fact that it is a conductive liquid, the specific resistance of which is ^ -10 Ji.m. There is no lower limit to the resistance. The liquid can be as conductive as desired.
Zum Unterschied von der Flugbahn der ungeladenen Tropfen im ersten Abschnitt nach Fig. 1, die nur wenig von der ursprünglichen Strahlrichtung abweicht, zeigen die elektrisch geladenen Tropfen gemäß Fig. 2 deutlich auseinanderstrebende Flugbahnen. Die leichten Satellitentropfen 5 verlassen unmittelbar nach der Entstehung dieIn contrast to the trajectory of the uncharged drops in the first section of FIG. 1, which differs only slightly from the deviates from the original beam direction, the electrically charged drops according to FIG. 2 clearly show diverging trajectories. The light satellite droplets 5 leave the immediately after formation
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Hauptflugbahn und bewegen sich dann auf den nächsten, geerdeten Körper in der Umgebung hin. Die aus der Hauptmenge der ausströmenden Flüssigkeit gebildeten normalen Tropfen lösen sich später aus der Reihe und vergrößern ihren gegenseitigen Abstand. Dies führt zur Ausbildung eines Sprühkegels 10 mit dem ÖffnungswinkelcC Die Tropfen bleiben auch über Flugstrecken von 1 m Länge und mehr in ihrer Originalgröße erhalten. Die Wirkung des elektrischen Feldes beruht also auf zwei Effekten,Main trajectory and then move on to the next, earthed bodies in the area. Those formed from the bulk of the outflowing liquid normal drops later break away from the series and increase their mutual distance. This leads to Formation of a spray cone 10 with the opening angle cC The drops remain in their original size even over flight distances of 1 m in length and more. The effect of the electric field is based on two effects,
'0 nämlich der Verhinderung der Rekombination zu größeren Tropfen und die Ausbildung eines Sprühkegels aufgrund der elektrostatischen Abstoßung. Die Änderung der Polarität der Ladung ist ohne Auswirkung auf diese Effekte. Je nach der Höhe der im zugelassenen Bereich möglichen'0 namely preventing recombination to form larger ones Drops and the formation of a spray cone due to the electrostatic repulsion. The change of polarity the charge has no effect on these effects. Depending on the amount of possible in the permitted area
^ Ausstoßgeschwindigkeit an der Kapillare (Flüssigkeitsdruck) , nach der Strahldicke und der elektrischen Spannung läßt sich der öffnungswinkel des Sprühkegels klein oder groß einstellen. Damit ist die Möglichkeit für eine zielgerichtete Abscheidung der Sprühtröpfchen gegeben. Durch die Einstellung der Sprührichtung kann beispielsweise ein Pflanzenbestand entweder flach angesprüht werden, wobei die geladenen Tröpfchen bevorzugt die oberen Pflanzenteile erreichen, oder er wird steil angesprüht; dann werden die Tröpfchen erst in den tiefer liegenden Teilen des Bestandes zur Abscheidung gebracht. Die Eindringtiefe der Tröpfchen kann also den jeweiligen Anforderungen der Pflanzenbestände angepaßt werden. ^ Ejection speed at the capillary (liquid pressure) The opening angle of the spray cone can be determined according to the jet thickness and the electrical voltage set small or large. This provides the opportunity for targeted separation of the spray droplets given. By setting the spray direction, for example, a crop can either be sprayed flat the charged droplets preferentially reaching the upper parts of the plant, or it becomes steep sprayed on; then the droplets are only deposited in the deeper parts of the crop. The depth of penetration of the droplets can therefore be adapted to the respective requirements of the plant population.
In Fig. 3a,b wird gezeigt, wie durch Veränderung des Flüssigkeitsdruckes in der Düse und der damit verbun-In Fig. 3a, b it is shown how by changing the Fluid pressure in the nozzle and the associated
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denen Strahlaustrittsgeschwindigkeit die Eindringtiefe des Sprühnebels in dichte Pflanzenbestände gesteuert werden kann. Im Teilbild a wird Wasser aus einer Düse 9 mit der lichten Weite d = 100 μπι bei einem Druck von P1 = 0,6 bar mit einer mittleren Ausspritzgeschwindigkeit V1 = 5,6 m/s ausgestoßen. Der Strahl liegt an einer Spannung von -15 kV, die durch das Hochspannungsgerät 10 aufrechterhalten wird. Unterhalb der Düse befinden sich zwei Pflanzen 11 und 12 eines größeren Pflanzenbestandes. Die Höhe der Pflanzen beträgt 0,5 m. Der Abstand von der Pflanzenspitze bis zur Düse beträgt 0,3 m. Der Sprühkegel 13 öffnet sich oberhalb der Pflanzen 11 und 12. Die Tropfen werden bei der geringen kinetischen Energie des Flüssigkeitsfadens durch die Luftreibung schnell abgebremst und durch Coulomb'sehe Kräfte in den oberen Teilen der Pflanzen 11 und 12 quantitativ zur Abscheidung gebracht. Im Teilbild b wird bei gleicher Spannung, jedoch mit dem Druck von 3 bar und der Austrittsgeschwindigkeit V2 = 16,8 m/s aus der Düse 14 ge-where the jet exit speed, the penetration depth of the spray mist in dense crops can be controlled. In partial image a, water is ejected from a nozzle 9 with the clearance d = 100 μm at a pressure of P 1 = 0.6 bar with an average ejection speed V 1 = 5.6 m / s. The beam is at a voltage of -15 kV, which is maintained by the high voltage device 10. Below the nozzle there are two plants 11 and 12 of a larger plant population. The height of the plants is 0.5 m. The distance from the plant tip to the nozzle is 0.3 m. The spray cone 13 opens above the plants 11 and 12. The drops become fast due to the low kinetic energy of the liquid thread due to the air friction decelerated and quantitatively brought to separation by Coulomb's forces in the upper parts of the plants 11 and 12. In partial image b, with the same voltage, but with a pressure of 3 bar and the exit velocity V 2 = 16.8 m / s from the nozzle 14
sprüht. Die wirksame Abbremsung der Tropfenbewegung erfolgt hier erst im unteren Teil der Pflanzen 15 und 16, wonach die elektrostatischen Anziehungskräfte überwiegen und die Tropfen in diesem Bereich zur Abscheidung bringen. Der Sprühkegel· 17 ist weniger weit geöffnet ais der Kegel 13. In beiden Fäilen (a und b) bleibt die Tropfengröße und die Aufladung nahezu gleich, so daß die Tendenz zur gezielten Abscheidung nach dem Abbremsen der Fallgeschwindigkeit erhalten bleibt.sprays. The effective deceleration of the drop movement only takes place here in the lower part of plants 15 and 16, after which the electrostatic forces of attraction predominate and cause the droplets to separate in this area. The spray cone 17 is less open than the cone 13. In both cases (a and b) the Droplet size and charge almost the same, so that there is a tendency towards targeted separation after braking the rate of fall is maintained.
Gemäß Fig. 4a ist die Düse bzw. die Kapillare 18 über dem Pflanzenbestand 19 so angeordnet, daß der austreten-According to Fig. 4a, the nozzle or the capillary 18 is arranged above the plant stock 19 so that the emergent
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de Flüssigkeitsfaden zunächst horizontal verläuft. Der Hochspannungsgenerator ist hier weggelassen. Der erzeugte Sprühkegel wird durch den Luftwiderstand abgebremst und schlägt sich dann mit geringerer Geschwindigkeit in den oberen Teilen der Pflanzen des Bestandes 19 nieder, so daß nur eine geringe Eindringtiefe erzielt wird. Gemäß Fig. 4b ist die Sprührichtung um 90° gegen die erste Stellung gedreht; d.h. die Kapillare 21 ist hier vertikal angeordnet. Die Hochspannungsquelle ist, wie in Fig. 4a, nicht eingezeichnet. Der Sprühkegel fällt aus der Kapillare 21 in den Pflanzenbestand 22 mit höherer Geschwindigkeit als wie bei der Anordnung nach Fig. 4a, da die Schwerkraft in der gleichen Richtung wirkt. Daraus resultiert eine größere Eindringtiefe.de liquid thread initially runs horizontally. The high voltage generator is omitted here. The generated The spray cone is slowed down by the air resistance and then hits itself at a slower speed settled in the upper parts of the plants of the stock 19, so that only a small depth of penetration is achieved. According to FIG. 4b, the spray direction is rotated 90 ° from the first position; i.e. capillary 21 is here arranged vertically. As in FIG. 4a, the high voltage source is not shown. The spray cone falls from the capillary 21 into the plant stock 22 at a higher speed than with the arrangement according to Fig. 4a, since gravity acts in the same direction. This results in a greater depth of penetration.
Der Niederschlag erfolgt dann bevorzugt in den unteren Teilen der einzelnen Pflanzen. Es leuchtet ein, daß man mit anderen Stellungen der Düsen zwischen diesen beiden Extremlagen 18 und 21 die Eindringtiefe beliebig variieren kann. Man hat es also in der Hand, die Eindringtiefe des Sprühkegels in dichte Pflanzenbestände durch Änderung der Ausstoßrichtung der Flüssigkeit zu steuern. Bewegt man eine Reihenordnung solcher Düsen parallel zum Boden über ein Feld (gezeichnete Pfeile), so können großflächige Pflanzungen besprüht werden.Precipitation then occurs preferentially in the lower parts of the individual plants. It makes sense that one can with other positions of the nozzles between these two extreme positions 18 and 21, the depth of penetration can be varied as desired can. So you have it in your hand, the depth of penetration of the spray cone into dense vegetation by changing the direction of discharge of the liquid. If you move an order of rows of such nozzles parallel to the ground over a field (drawn arrows), large-scale plantings can be sprayed.
Durch gleichzeitige Anwendung einer Vielzahl von Sprühdüsen kann die durch die Tropfen erzeugte Raumladung in der nächsten Umgebung des Zielobjektes konzentriert werden. So wird nach Fig. 5a durch eine Vielzahl parallel orientierter Düsen 25 eine Raumladungswolke 23 mitBy using a large number of spray nozzles at the same time, the space charge generated by the droplets be concentrated in the immediate vicinity of the target object. Thus, according to FIG. 5a, a plurality is parallel oriented nozzles 25 with a space charge cloud 23
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hoher Ladungsdichte vor dem Zielobjekt 24 aufgebaut. Fig. 5b zeigt eine andere Möglichkeit zum Aufbau einer hohen Raumladungsdichte mittels einer Vielzahl von Düsen 26. Die Düsen sind hier so orientiert, daß sich die Verlängerung der Flüssigkeitsfäden, d.h. die Anfangsrichtungen der Strahlen am Ort der Raumladung kreuzen, wodurch ein starkes Niederschlagsfeld am Zielobjekt 28 entsteht. Die Sprühdüsen sind hier in größerem Abstand voneinander aufgestellt und die Strahlrichtungen in einen Punkt des Raumes konzentriert.high charge density built up in front of the target object 24. Fig. 5b shows another way of building a high space charge density by means of a large number of nozzles 26. The nozzles are oriented here so that the elongation of the liquid filaments, i.e. the initial directions of the rays at the location of the space charge cross, creating a heavy precipitation field on the target object 28. The spray nozzles are in here placed at a greater distance from each other and the beam directions concentrated in one point in the room.
Die Fig. 6 zeigt ein komplettes Sprühgerät, das so kompakt und handlich aufgebaut ist, daß es als tragbares Gerät von einer Person bedient werden kann. Es besteht aus einem Sprühkopf 29, dem Flüssigkeitsfilter 30, dem Flüssigkeitsventil 31, dem Vorratsbehälter 32 für die zu versprühende Flüssigkeit, einem Hochspannungsgenerator 33, einem Batteriegehäuse 34 und einer Luftpumpe 35. Alle Teile werden von einer stabförmigen Halterung 36 aus isolierendem Material aufgenommen. Die Erdung des elektrischen Systems ist durch ein Erdungskabel 37 gegeben, dessen freies Ende auf dem Erdboden liegt oder mit dem zu besprühenden Objekt in elektrischer Verbindung steht.Fig. 6 shows a complete sprayer, which is so compact and handy that it can be used as a portable Device can be operated by one person. It consists of a spray head 29, the liquid filter 30, the liquid valve 31, the storage container 32 for the liquid to be sprayed, a high-voltage generator 33, a battery case 34 and an air pump 35. All parts are held by a rod-shaped Holder 36 made of insulating material added. The grounding of the electrical system is given by a grounding cable 37, the free end of which is on the ground or is in electrical connection with the object to be sprayed.
Um das Gerät in Betrieb zu setzen, pumpt man mit der Luftpumpe 35 Luft in den Behälter 32, der teilweise mit der zu versprühenden Flüssigkeit gefüllt ist. Dabei bleibt ein Teil des Volumens z.B. 30 % für die komprimierte Luft (Luftkissen) frei. Der Druck in diesemTo put the device into operation, you pump with the Air pump 35 air into the container 32, which is partially filled with the liquid to be sprayed. Included a part of the volume e.g. 30% remains free for the compressed air (air cushion). The pressure in this
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Volumen wird auf 2 bis 3 bar erhöht. Das Ventil 38 verhindert dabei das Zurückströmen der Flüssigkeit. Der Sprühkopf 29 wird durch Einschalten des Hochspannungsgenerators 33 über den Schalter 39, der den Primärstromkreis schließt, unter Hochspannung von z.B. 50 kV gesetzt. Beim öffnen des Ventils 31 strömt die Flüssigkeit durch den Sprühkopf 29 aus und wird in der oben angegebenen Weise versprüht.Volume is increased to 2 to 3 bar. The valve 38 prevents the liquid from flowing back. Of the Spray head 29 is switched on by switching on the high-voltage generator 33 via the switch 39, which controls the primary circuit closes, placed under high voltage of e.g. 50 kV. When the valve 31 is opened, the liquid flows through the spray head 29 and is sprayed in the manner indicated above.
Der Sprühkopf 29 ist in Fig. 7 dargestellt. Er besteht im Prinzip aus einer Vielzahl von strömungstechnisch parallel geschalteten Sprühelementen, die über die Leitung 44 mit dem Flüssigkeitsbehälter 32 verbunden sind. Zur Erzeugung dünner Flüssigkeitsstrahlen eignen sich sehr gut kurze Kapillarröhrchen, die jedoch sehr empfindlieh gegen Verschmutzung und Beschädigung bei direkter Berührung mit anderen Gegenständen, z.B. Pflanzen, sind. Aus diesem Grund wird hier die Kapillare durch einen konzentrischen Mantel geschützt. Obwohl bei gleichem Potential des Schutzmantels die Ausbildung eines elektrisehen Feldes durch die abschirmende Wirkung des Mantels unterdrückt wird, findet keine Beeinträchtigung des Sprühvorgangs statt. Der zusammenhängende erste Abschnitt des Flüssigkeitsfadens, der den Rand des Schutzmantels überragt, stellt nämlich wegen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit den Ersatz für eine Spitzenelektrode dar, an der sich außerhalb des Zylinders das Feld aufbaut, das für die Aufladung der Tropfen erforderlich ist.The spray head 29 is shown in FIG. 7. In principle, it consists of a large number of fluidic spray elements connected in parallel, which are connected to the liquid container 32 via the line 44. Short capillary tubes are very suitable for generating thin jets of liquid, but they are very sensitive against dirt and damage from direct contact with other objects, e.g. plants. For this reason, the capillary is protected by a concentric jacket. Although with the same potential of the protective jacket the formation of an electrical field due to the shielding effect of the jacket is suppressed, there is no impairment of the spraying process. The coherent first section of the liquid thread, which protrudes beyond the edge of the protective jacket, is because of the conductivity of the liquid is the substitute for a tip electrode on which the field is located outside the cylinder builds up, which is necessary for the charging of the drops.
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Gemäß Fig. 7 wird die Kapillare 47 in die Bodenplatte eines Topfes 48 eingesetzt und bildet so ein Sprühelement 40, das in entsprechende Bohrungen des Sprühkopfes 29 eingepreßt ist. Durch den überstehenden Rand 4 2 (Kragen des Topfes 48) wird die Eintauchtiefe begrenzt. Das freie Ende der Kapillaren 47 taucht in den Flüssigkeitskanal 43 ein, der seinerseits mit dem Zuleitungsrohr 44 verbunden ist. According to FIG. 7, the capillary 47 is inserted into the base plate of a pot 48 and thus forms a spray element 40, which is pressed into corresponding bores in the spray head 29. Through the protruding edge 4 2 (Collar of the pot 48) the immersion depth is limited. The free end of the capillaries 47 plunges into the liquid channel 43, which in turn is connected to the supply pipe 44.
Da die Kapillaren 47 bei längerem Einsatz durch Ablagerungen leicht verschmutzen können (Verkrustungen) ist eine Einrichtung für den einfachen schnellen Wechsel der Sprühelemente 40 erforderlich. Zu diesem Zweck ist jedes Sprühelement 40 von einem Ring 45 aus elastischem Material umschlungen, dessen Umfang größer ist als der Umfang des Trägers 41 für die Sprühelemente. Der Ring ist an seiner Oberseite (Fig. 7) durchbohrt und an der gegenüberliegenden Seite mit dem Träger 41 verschraubt (46). Durch die Bohrung im elastischen Ring ist nun das Sprühelement 40 derart in den Träger 41 eingesetzt, daß der Kragen 42 des Schutzmantels 48 über die Bohrung hinausragt und so einen Anschlag bildet (siehe Fig. 8). Zum Auswechseln eines Sprühelementes 40 drückt man den Ring zusammen (Pfeile Fig. 8). Dadurch wird der Ring 45 deformiert und übt auf das Sprühelement 40 eine Kraft aus, die groß genug ist, um ihn aus der Verankerung im Träger 41 herauszuziehen. Anschließend kann ein neues Sprühelement durch die Bohrung im Ring 45 hindurchgesteckt und in die entsprechende Öffnung des Trägers 41 eingesetzt werden. Der Austausch kann ohne Anwendung von Werkzeugen von Hand vorgenommen werden.Since the capillaries 47 can easily become soiled (incrustations) due to deposits during prolonged use a device for the simple and quick change of the spray elements 40 is required. To this end, each is Spray element 40 wrapped around by a ring 45 made of elastic material, the circumference of which is greater than that Perimeter of the carrier 41 for the spray elements. The ring is drilled through on its upper side (FIG. 7) and screwed to the carrier 41 on the opposite side (46). The spray element 40 is now inserted into the carrier 41 through the bore in the elastic ring in such a way that the collar 42 of the protective jacket 48 projects beyond the bore and thus forms a stop (see FIG. 8). To the Replacing a spray element 40 presses the ring together (arrows Fig. 8). The ring 45 is thereby deformed and exerts sufficient force on the spray element 40 to dislodge it from the carrier 41 to pull out. Then a new spray element can be pushed through the hole in the ring 45 and be inserted into the corresponding opening of the carrier 41. The exchange can be done without the use of tools be done by hand.
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Der Durchmesser des elastischen Ringes 45 beträgt 5 bis 50 mm, vorzugsweise 10 bis 30 mm. Die Länge des Trägers 41 sowie die Packungsdichte der Sprühelemente 40 kann dem Bedarf angepaßt werden. Letztere ist nur durch die gegenseitige Berührung der Bauelemente begrenzt.The diameter of the elastic ring 45 is 5 to 50 mm, preferably 10 to 30 mm. The length of the beam 41 and the packing density of the spray elements 40 can be adapted to requirements. The latter is only due to the mutual Contact of the components is limited.
Für die Höhe der elektrischen Aufladung der Tropfen gibt es ein Maximum, das dann erreicht wird, wenn die elektrische Feldstärke in der Umgebung der Strahlansätze einen Wert annimmt, bei dessen Überschreitung eine Korona-Entladung einsetzt. Die Höhe der optimalen Betriebsspannung hängt von den Abmessungen der Apparatur ab. Sie muß deshalb experimentell ermittelt werden. Für ein einzelnes Sprühelement mit 100 μπι Kapillarweite und weit entfernter Gegenelektrode (mindest 0,5 m) liegt die optimale Betriebsspannung bei ca. 10 kV. Die obere Grenze für die Betriebsspannung liegt bei ca. 50 kV.There is a maximum for the height of the electric charge of the drops, which is reached when the electric Field strength in the vicinity of the beam approaches assumes a value which, if exceeded, causes a corona discharge begins. The level of the optimal operating voltage depends on the dimensions of the apparatus. It must therefore be determined experimentally. For a single spray element with 100 μm capillary width and wide distant counter electrode (at least 0.5 m), the optimal operating voltage is approx. 10 kV. The upper limit for the operating voltage is approx. 50 kV.
Ein großer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung, verglichen mit bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung elektrisch geladener Sprühnebel, liegt darin, daß in unmittelbarer Nähe der hochspannungsführenden Düseneinheit keine Gegenelektrode mit Erdpotential erforderlich ist. Dieser Umstand ermöglicht die Verwendung sehr langer Isolierstrecken zwischen den spannungsführenden Teilen der Anordnung. Betriebsstörungen durch feuchte Luft oder Verschmutzung der Isolatoren können damit weitgehend ausgeschlossen werden. Ferner ist von Bedeutung, daß nur sehr geringe Ströme fließen (Größenordnung μΑ), so daßA great advantage of the device described, compared with known devices for generating electrically charged spray, is that in the immediate vicinity of the high-voltage nozzle unit no Counter electrode with earth potential is required. This fact enables the use of very long insulating distances between the live parts of the arrangement. Malfunctions due to humid air or Contamination of the insulators can thus be largely ruled out. It is also important that only very low currents flow (order of magnitude μΑ), so that
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die zur Spannungsversorgung verwendete Batterie eine lange Lebensdauer hat und der Hochspannungsgenerator einen hohen Innenwiderstand haben kann. Auf diese Weise wird eine Gefährdung von Personen durch Hochspannung vermieden.the battery used for power supply has a long service life and the high-voltage generator can have a high internal resistance. In this way, people are endangered by high voltage avoided.
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