Die Erfindung betrifft eine Quelle zur Erzeugung von freien Ladungsträgern mittels Koronaentladungen, mit mindestens einer Gruppe von Einzel-Elektroden, die über je ein vorgeschaltetes Strombegrenzungselement an einem Anschluss angeschlossen sind, und mit mindestens einer direkt leitend mit einem andern Anschluss verbundenen Elektrode sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
Ionisationsvorrichtungen mit derartigen Ladungsträger Quellen dienen zur berührungsfreien Neutralisation elektrostatischer Aufladungen von Isoliermaterialien. Solche Aufladungen entstehen insbesondere bei der Verarbeitung von Kunststoff-Folien, synthetischen Geweben und Papieren. Ferner werden diese Vorrichtungen etwa in der Uhren- und chemischen Industrie zu Entstaubungszwecken verwendet.
Zur Erfüllung der vorgenannten Aufgaben müssen die Ladungsträger-Quellen eine sich über einen bestimmten Raumbereich erstreckende, einigermassen homogene Ladungswolke erzeugen. Da sie üblicherweise mit Spannungen von einigen kV arbeiten, sollten sie ferner so aufgebaut sein, dass die Unfallgefahr möglichst klein bleibt.
Eine bekannte Ionisationsvorrichtung weist eine Ladungsträger-Quelle mit einer wendelförmigen Hochspannungselektrode und konzentrisch darum herum angeordneten, runden, geerdeten Stäben auf, zwischen denen sich Zwischenräume befinden, durch die die Ionen nach aussen driften können.
Diese Ladungsträger-Quelle hat jedoch den Nachteil, dass die von ihr durch Koronaentladungen zwischen der Hochspannungselektrode und den geerdeten Stäben erzeugten Ladungsträger bei hoch aufgeladenen Isoliermaterialien zu einem vollständigen Ladungsabbau nicht ausreichen. Insbesondere darf sie auch nicht in der Nähe geerdeter Metallteile der für die Verarbeitung des Isoliermaterials verwendeten Maschine angeordnet sein, da in diesem Fall so viele Ladungsträger aus der Ladungswolke abgezogen werden, dass ein Abbau der Oberflächen-Aufladung des Isoliermaterials nicht mehr möglich ist. Diese Ladungsträger-Quelle hat zudem den Nachteil, dass die geerdeten Stäbe, insbesondere bei längeren Ausführungen, leicht verbogen werden können.
Ferner lässt sich der sich bei längerem Betrieb innerhalb der Stäbe ansammelnde Schmutz nur schwer entfernen. Dies kann einerseits eine Reduktion und örtlich ungleichmässige Verteilung der Ionisation und andererseits Funkenentladungen zur Folge haben. Ein weiterer Nachteil dieser Ausführung liegt darin, dass ein Kurzschluss zwischen der Hochspannungselektrode und den geerdeten Stäben, wie er etwa durch einen Metallspan verursacht werden kann, zu einem Betriebsausfall der ganzen Ladungsträger-Quelle führt. Des weitern ist die Hochspandungselektrode trotz ihrer geschützten Anordnung mit einem Werkzeug, etwa einem Schraubenzieher, berührbar, so dass immer noch eine gewisse Unfallgefahr besteht.
Es ist ferner eine Ladungsträger-Quelle bekannt, bei der als Hochspannungselektroden zwei glatte Schienen verwendet werden, die in zwei parallelen Öffnungen eines Kunststoffstabes untergebracht und allseitig von Kunststoff umschlossen sind. Die geerdete Gegenelektrode ist in einer längs des Stabes zwischen den Schienen verlaufenden Nut an geordnet und mit einer Reihe von Spitzen versehen. Bei dieser Ausführung können zwar keine Kurzschlüsse entstehen, sie hat jedoch den Nachteil, dass ihre Leistung und Ionisationsrate noch wesentlich kleiner ist, als diejenige der vorstehend beschriebenen Ladungsträger-Quelle.
Weiter ist eine Ionisationsvorrichtung bekannt, bei der die stabförmige Ladungsträger-Quelle auf beiden Stabseiten je eine geerdete, als Gegenelektrode dienende Metallschiene aufweist, deren obere Randfläche verrundet ist. Dazwischen ist ein Stab aus Widerstandsmaterial angeordnet, der auf der unteren Seite mit einer an die Hochspannung angeschlossenen Metallschienen verbunden und auf der oberen Seite mit einer Reihe von Metallspitzen versehen ist, die als Hochspannungselektroden dienen. Auch bei dieser Ladungsträger-Quelle ist die erzeugte Ladungswolke in vielen Fällen für einen vollständigen Abbau der Aufladungen nicht ausreichend.
Da das Widerstandsmaterial praktisch den ganzen Zwischenraum zwischen den Seitenschienen ausfüllt, auf der oberen Seite nicht abgedeckt und sehr hochohmig ist, bewirkt die beim Betrieb entstehende Oberflächenverschmutzung Kriechströme, die eine Reduktion der Elektrodenspannung und dadurch eine zusätzliche Reduktion der Ionisation zur Folge haben. Ferner hat diese Ausführung den Nachteil, dass bei einem Defekt des Widerstandsmateriales jeweils der ganze Widerstands-Stab mit allen Hochspannungselektroden ausgewechselt werden muss.
Ferner ist eine Ladungsträger-Quelle bekannt, bei der die Hochspannungselektroden durch eine Reihe von Spitzen gebildet werden, denen je ein zur Strombegrenzung dienender Widerstand vorgeschaltet ist. Die an Masse liegenden Elektroden werden durch zwei beidseitig von den Spitzen angeordnete, stumpfe Schienen gebildet. Auch bei dieser Ausführung ist die erzeugte Ladungswolke für den Abbau der Aufladungen oft nicht ausreichend.
Für die Verwendung in explosionsgefährdeten Räumen ist ferner eine Ladungsträger-Quelle bekannt, die nur eine elektrisch an Masse liegende, mit einer Reihe von Spitzen versehene Elektrode aufweist. Diese Ladungsträger-Quelle wird beim Betrieb so angeordnet, dass die Spitzen gegen die Oberfläche des aufgeladenen Isoliermaterials gerichtet sind und von diesem einen Abstand von etwa 1 cm haben. Bei grossen Feldstärken finden dann zwischen den Spitzen und der Isoliermaterial-Oberfläche Entladungen statt, wodurch die Oberflächen-Aufladung abgebaut wird. Diese Ladungsträger-Quelle kann zwar sehr viele freie Ladungsträger liefern, da jedoch die Spitzenentladungen nur stattfinden, wenn die Feldstärke mindestens einige kV/cm beträgt, bleibt auch hier immer eine Restaufladung bestehen.
Es ist daher eines der Ziele der Erfindung, eine Ladungsträger-Quelle zu schaffen, bei der auch bei stark aufgeladenen Isoliermaterialien ein vollständiger Abbau der Oberflächen-Aufladungen möglich ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Quelle der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jede direkt angeschlossene Elektrode eine sich im wesentlichen über ihre ganze Länge erstreckende Schneide oder Reihe von Spitzen aufweist. Die Erfindung betrifft des weitern ein Verfahren zum Betrieb der Quelle. Dieses ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die direkt leitend angeschlossenen Elektroden elektrisch leitend an die Masse und die Einzel-Elektroden an die Hochspannung einer Hochspannungsquelle angeschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und eine Variante davon ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 ein Schaltschema einer Ionisationsvorrichtung mit einer Ladungsträger-Quelle mit einer Einzel-Elektrodengruppe, die Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ladungsträger-Quelle, die Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2, die Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 2 und die Fig. 5 ein Schaltschema einer Ladungsträger-Quelle mit zwei Einzel-Elektrodengruppen.
Die Fig. 1 zeigt ein Schema einer Ionisationsvorrichtung mit einer Spannungsquelle 1 und einer zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels Koronaentladungen dienenden Ladungsträger-Quelle 10. Die Spannungsquelle list über ein dreipoliges Kabel mit Erdleiter an das Stromnetz angeschlossen und weist einen zweipoligen Schalter 2 und eine zur Anzeige des Betriebszustandes dienende Glimmlampe 3 auf.
Die Erzeugung der für den Betrieb notwendigen Hochspannung erfolgt durch einen Transformator 5 mit vergossenen Wicklungen. Die Hochspannung ist primärseitig durch einen Stufenschalter 4 einstellbar. Die beiden Enden der Sekundär Wicklung sind mit zwei Anschlüssen 6, beziehungsweise 7 verbunden, von denen der erstere geerdet ist.
Die an den zweipoligen Ausgang der Spannungsquelle angeschlossene Ladungsträger-Quelle 10 weist zwei Elektroden 11 und mehrere Einzel-Elektroden 12 auf, die zusammen mehrere Entladungsstrecken bilden. Die beiden Elektroden 11 sind direkt mit dem geerdeten Anschluss 24 verbunden, wogegen die Einzel-Elektroden 12 über je einen als Strombe grenzungselement dienenden Vorschalt-Widerstand 13 an den andern Anschluss 25 angeschlossen sind.
Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen eine besonders zweckmässige
Ausführung der Ladungsträger-Quelle 10. Sie weist einen aus glasfaserverstärktem Epoxydharz bestehenden, stabförmi gen Körper 15 mit im wesentlichen rechteckigem Quer schnitt auf. Er ist auf seiner oberen Seite mit einer Mittel
Nut 31 und zwei symmetrisch dazu angeordneten Nuten 32, die in je eine Kehle 33 münden, und auf der unteren Seite mit einer Nute 34 versehen. Die Kehlen 33 und die Nuten
31, 32, 34 verlaufen alle parallel zur Längsachse des Körpers
15 und erstrecken sich über dessen ganze Länge. Der Kör per 15 ist ferner mit einer Reihe von vertikalen, entlang der
Längsachse in äquidistanten Abständen angeordneten Boh rungen 35 mit zwei Abschnitten 35a, 35b versehen, von denen der untere den grösseren Durchmesser aufweisende
Abschnitt 35a in die Nut 34 und der obere in die Nut 31 mün det.
Die unteren Abschnitte 35a enthalten je einen Wider stand 13. Die oberen Anschlüsse dieser Widerstände durch dringen die Bohrungsabschnitte 35b und die Nut 31,'so dass ihre freien Enden etwa bündig mit der oberen Fläche 15a des Körpers 15 sind und als Einzel-Elektroden 12 dienen. Sie werden bei der Herstellung mit einer Schneidzange abge schnitten und bilden daher scharfkantige Spitzen. Die unte ren Anschlüsse der Widerstände 13 sind mit einem in der
Nut 34 untergebrachten Leiter 17 verlötet. Die Nut 34 ist gegen aussen durch einen aus Isoliermaterial, etwa glasfaser verstärktem Epoxydharz, bestehenden Stab 19 abgeschlos sen, so dass der mit dem Anschluss 25 verbundene Leiter 17 und die unteren Anschlüsse der Widerstände 13 gegen aus sen isoliert sind.
Der Profilstab 19 ist durch einen weitern
Profilstab 18 gehalten, dessen Schenkelenden in zwei seitli che Längsnuten 37 des Körpers 15 eingreifen.
In den beiden Nuten 32 ist je eine der beiden Elektroden
11 angeordnet, die sich über die ganze Länge des Körpers
15 erstrecken. Diese Elektroden 11, die elektrisch leitend mit dem gemeinsamen Anschluss 24 verbunden sind, sind säge blattartig ausgestaltet und so tief in die Nut 32 eingelassen, dass ihre zahnförmigen Spitzen 11 a etwa bündig mit der obe ren Fläche 15a sind.
Die durch die oberen Anschlüsse der Widerstände 13 ge bildeten Elektroden 12 und die Spitzen 1 1a bilden also zusam men Entladungsstrecken, zwischen denen bei richtig einge stellter Hochspannung Koronaentladungen stattfinden. Die
Einzel-Elektroden 12 bilden eine zu den beiden Elektroden
11 paralell verlaufende Reihe, wobei jedoch der Abstand zwi schen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen 11 a wesentlich klei ner ist, als derjenige zwischen benachbarten Einzel-Elektro den 12, so dass von jeder der letzteren beidseitig mehrere
Entladungsstrecken wegführen. Auf diese Weise wird es mög lich, über der ganzen Länge und Breite des Körpers 15 eine verhältnismässig gleichmässige Ionisierung zu erzielen.
Da so wohl die an Hochspannung als auch die an Erdpotential liegenden Elektroden Spitzen aufweisen, kann schon mit verhältnismässig kleiner Hochspannung eine grosse Koronaentladungsstromdichte und damit eine hohe Ionisationsrate erreicht werden.
Bei den in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellten Enden der Ladungsträger-Quelle 10 wird der Körper 15 durch je einen Metallwinkel abgeschlossen, mit dem die Elektroden 11 fest und leitend verbunden sind. Ferner ist am Körperende entweder eine Stopfbuchse, in die ein Hochspannungskabel eingeführt ist, das den Leiter 17 über eine als Anschluss dienende Klemme 25 mit dem Anschluss 7 der Spannungsquelle verbindet, oder aber eine Kupplung angeordnet, über die der Leiter 17 mit dem Hochspannungsleiter einer weiteren Ladungsträger-Quelle verbunden werden kann.
Dadurch, dass die Elektroden 11, 12 mit der oberen Aussenfläche 15a des Körpers 15 etwa bündig sind, wird gewährleistet, dass sich die bei der Korona-Entladung erzeugten, freien Ladungsträger, das heisst die positiven und negativen Ionen und Elektronen, ungehindert verteilen können, so dass eine grossräumige, homogene Ladungswolke entsteht. Selbstverständlich wird die Plasmaquelle 10 so montiert, dass ihre Aussenfläche 15a beim Betrieb der Oberfläche des zu entladenden Isoliermaterials zugewandt ist. Beim Betrieb der Ladungsträger-Quelle mit einer Wechselspannung hat die Ladungswolke während einer Halbwelle bezüglich der Erdung ein positives und während der andern Halbwelle ein negatives Potential. Die zu entladenden Isoliermaterialien ziehen dann entsprechend dem Vorzeichen ihrer Aufladung die zum Ladungsausgleich notwendigen Ladungsträger aus der Ladungswolke heraus.
Dies erfolgt vorwiegend dann, wenn der Potentialunterschied zwischen der Ladungswolke und der Aufladung am grössten ist, das heisst während den Halbwellen, während denen ihre Potentiale verschiedene Vorzeichen haben. Die grosse Ausdehnung der Ladungswolke gewährleistet dabei, dass auch grossflächige Isoliermaterialien, etwa Kunststoff-Folien, die mit verhältnismässig grosser Geschwindigkeit an der Ladungsträger-Quelle vorbeigeführt werden, zuverlässig und einwandfrei entladen werden.
Bei hohen Aufladungen finden auch zwischen den Spitzen 11 a der geerdeten Elektroden 11 und dem aufgeladenen Isoliermaterial Korona-Entladungen statt, wobei durch Stossionisation zusätzliche Ladungsträgerpaare erzeugt werden.
Wenn das Isoliermaterial an der Ladungsträger-Quelle vorbeitransportiert wird, erfolgt der Ladungsabbau bei starken Aufladungen zunächst vorwiegend durch die zwischen den Spitzen 11 a der geerdeten Elektroden 11 und dem Isoliermaterial stattfindenden Koronaentladungen. Das Isoliermaterial kann dadurch so weit entladen werden, bis die Feldstärke zwischen dem Isoliermaterial und den Spitzen 11 a nicht mehr ausreicht, um die Entladung aufrecht zu erhalten. Die noch verbleibende Restladung wird dann durch die zwischen den Elektroden 11 und 12 erzeugten Ladungsträger abgebaut. Dies ermöglicht, dem zu entladenden Isoliermaterial mehr Ladungsträger zuzuführen, als durch die Korona-Entladung zwischen den Elektroden 11 und 12 erzeugt werden. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der lonisierungsvorrichtung wesentlich gesteigert.
Dies ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn die Ladungsträger-Quelle in der Nähe geerdeter Metallteile angeordnet werden muss. Bei den vorbekannten Ladungsträger-Quellen, bei denen die geerdeten Elektroden keine Spitzen aufweisen, wurden durch solche Metallteile soviele Ladungsträger aus der Ladungswolke abgezogen, dass ein vollständiger Abbau der Aufladungen nicht mehr möglich war. Da die Kehlen 33 die Elektroden 11 auch nach den Seiten hin teilweise freigeben, können sich die zwischen den Elektroden 11 und dem Isoliermaterial stattfindenden Koronaentladungen seitlich relativ weit nach aussen erstrecken, was bei grossen Transportgeschwindigkeiten sehr vorteilhaft ist.
An sich könnten bei der erfindungsgemässen und bei den meisten der vorbekannten Ladungsträger-Quellen auch zwischen den Spitzen der Hochspannungs-Elektroden und der Oberfläche des Isoliermaterials Entladungen stattfinden. Da die Ströme für solche Entladungen jedoch über die Strombegrenzungs-Widerstände und den Innenwiderstand der Spannungsquelle zur Erde abfliessen müssen, tragen diese Entladungen nur wenig zum Ladungsabbau bei.
Bei dem in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Isolierstab 19 eine einen durchgehenden Kanal 19a bildende Nut auf und im Körper 15 ist zwischen den die Widerstände 13 enthaltenden Bohrungen je eine weitere durchgehende, vertikale Bohrung 36 mit zwei Abschnitten 36a und 36b angeordnet. Der untere, den grösseren Durchmesser aufweisenden Bohrungsabschnitt 36a mündet in den Kanal 19a, der gegen aussen durch nicht dargestellte Dichtungselemente abgedichtet und an einem Ende der Ladungsträger-Quelle mit einer Vorrichtung zum Anschliessen einer Gasleitung verbunden ist.
Wird nun an diese eine Gasoder Druckluftquelle angeschlossen, so strömt das Gas durch den als Druckleitung dienenden Kanal 19a zu den verschiedenen Bohrungen 36, wobei die im Bereich der Elektroden 11, 12, nämlich in der Fläche 15a, nach aussen mündenden Bohrungsabschnitte 36b als Austrittsdüsen wirken. Da die Widerstände 13 die Bohrungen 35 nicht dicht abschliessen, strömt auch durch diese Gas nach aussen, so dass eine starke, senkrecht von der Fläche 15a weggerichtete Strömung entsteht. Diese Blasvorrichtung ermöglicht, gleichzeitig mit der Entladung der Isoliermaterialien eine wirksame Entstaubung vorzunehmen.
Die Ladungsträger-Quelle kann selbstverständlich sowohl mit als auch ohne Blasvorrichtung hergestellt und betrieben werden. Im letzteren Fall wird die Bewegung der Ladungsträger nur durch Diffusionseffekte und die durch das elektrische Feld bewirkte Drift bestimmt, während im ersteren Fall noch ein zusätzlicher Transport durch Konvektion stattfindet. Durch die Blasvorrichtung wird es also möglich, den Ladungsträgern eine von der Ladungsträger-Quelle weg- gerichtete Vorzugsgeschwindigkeit zu erteilen.
Durch den jeder Elektrode 12 vorgeschalteten Widerstand 13 wird der maximal über die Elektrode fliessende Strom begrenzt. Beispielsweise werden Betriebsspannungen von 2000-5000 V und Widerstände von etwa 50 Mfl verwendet, so dass der Strom pro Elektrode auf 0,1 mA begrenzt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass irrtümliche Berührungen der Elektroden zu Unfällen führen.
Beim normalen Betrieb wird beim Ansteigen des Stromes durch die Widerstände gleichzeitig die über der Entladungsstrecke liegende Spannung reduziert. Dadurch ergibt sich, auch beim Betrieb mit Wechselspannung, eine gewisse Spannungs-Stabilisierung und eine weitgehende Unterdrükkung von Funkenentladungen. Dies bedeutet einen wesentlichen Vorteil, insbesondere wenn die Ionisationsvorrichtungen in Räumen mit Brandgefahr betrieben werden. Ein weiterer Vorteil der Widerstände liegt darin, dass im Falle eines Kurzschlusses zwischen einer der Elektroden 12 und den Elektroden 11 oder einem andern geerdeten Metallteil nur die Spannung an der vom Kurzschluss direkt betroffenen Elektrode 12 zusammenbricht, während die übrigen Elektroden 12 ihre Spannung beibehalten und ungestört weiterarbeiten.
Beim vorstehend beschriebenen Aufbau der Ladungsträger-Quelle ist es ohne weiteres möglich, einzelne defekte Widerstände zu ersetzen. Dazu ist nur der Profilstab 18 und der Stab 19 zu entfernen, der defekte Widerstand vom Leiter 17 abzulöten und der letztere so wegzubiegen, dass der Widerstand aus der Bohrung herausgezogen werden kann.
Da die Spannungsquelle 1 beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Wechselspannung liefert, können als Strombegrenzungselemente statt ohmscher Widerstände auch Kondensatoren verwendet werden. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ist eine Kapazität in der Grösse von etwa 30 pF zweckmässig. Andererseits besteht natürlich die Möglichkeit, statt einer Wechsel- eine Gleichspannungsquelle zu verwenden. Selbstverständlich kann die Spannungseinstellung bei der Spannungsquelle statt durch einen Stufenschalter auch durch einen vorgeschalteten Drehwiderstand oder elektronisch, etwa durch einen Triac erfolgen. Des weitern bestehen bei der Anordnung und Gestaltung der Elektroden natürlich sehr viele Möglichkeiten. Beispielsweise ist es möglich, statt direkt die Anschlüsse der Widerstände 13 als Elektroden auszubilden, besondere Spitzen an diese anzulöten.
Ferner können die direkt angeschlossenen Elektroden statt mit einer Reihe von Spitzen mit einer sich über ihre ganze Länge erstreckenden Schneide versehen werden.
Die Fig. 5 zeigt das Schaltschema einer weiteren Ausbildung einer als Ganzes mit 50 bezeichneten Ladungsträger Quelle. Sie weist ein Paar direkt mit einem Anschluss 54 verbundene Elektroden 51 und zwei Gruppen von Einzel-Elektroden 52, beziehungsweise 62 auf, denen je ein Widerstand 53, beziehungsweise 63 vorgeschaltet ist und die gruppenweise an einen der Anschlüsse 55, beziehungsweise 65 angeschlossen sind.
Die Ladungsträger-Quelle 50 ist ähnlich aufgebaut, wie die in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Ladungsträger-Quelle 10, wobei jedoch die Widerstände nicht alle am gleichen Leiter 17 sondern abwechselnd an zwei verschiedenen, mit den Anschlüssen 55, beziehungsweise 65 verbundenen Leitern angeschlossen sind.
Bei dieser Ausführung können die direkt angeschlossenen Elektroden an Erdpotential und die beiden Gruppen von Einzel-Elektroden an verschiedene Potentiale, beispielsweise an eine positive, beziehungsweise negative Gleichspannung gelegt werden.
PATENTANSPRUCH 1
Quelle (10, 50) zur Erzeugung von freien Ladungsträgern mittels Koronaentladungen, mit mindestens einer Gruppe von Einzel-Elektroden (12, 52, 62), die über je ein vorgeschaltetes Strombegrenzungselement (13, 53, 63) an einem Anschluss (25, 55, 65) angeschlossen sind, und mit mindestens einer direkt leitend mit einem andern Anschluss (24, 54) verbundenen Elektrode (11, 51), dadurch gekennzeichnet, dass jede direkt angeschlossene Elektrode (11, 51) eine sich im wesentlichen über ihre ganze Länge erstreckende Schneide oder Reihe von Spitzen (lla) aufweist.
UNTERANSPRÜCHE
1. Quelle (10, 50) nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzel-Elektrode (12, 52, 62) eine Spitze aufweist.
2. Quelle (10, 50) nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei zueinander parallele, direkt mit einem gemeinsamen Anschluss (24, 54) verbundene Elektroden (11, 51) und dazwischen eine dazu parallel verlaufende Reihe von spitzen Einzel-Elektroden (12, 52, 62) aufweist.
3. Quelle (10, 50) nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zur Halterung der Elektroden (11, 12, 51, 52, 62) dienenden Körper (15) aus glasfaserverstärktem Epoxydharz aufweist.
4. Quelle (10, 50) nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen als Druckleitung dienenden Kanal (19a) aufweist, mit dem Öffnungen (35) verbunden sind, die im Bereich der Elektroden (11, 12, 51, 52, 62) nach aussen
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The invention relates to a source for generating free charge carriers by means of corona discharges, with at least one group of individual electrodes, which are each connected to a connection via an upstream current limiting element, and with at least one electrode connected to another connection in a directly conductive manner, and a method their operation.
Ionization devices with such charge carrier sources serve for the contactless neutralization of electrostatic charges from insulating materials. Such charges occur in particular when processing plastic films, synthetic fabrics and papers. Furthermore, these devices are used, for example, in the clock and chemical industries for dedusting purposes.
To fulfill the aforementioned tasks, the charge carrier sources must generate a somewhat homogeneous charge cloud that extends over a certain area of space. Since they usually work with voltages of a few kV, they should also be designed in such a way that the risk of accidents remains as low as possible.
A known ionization device has a charge carrier source with a helical high-voltage electrode and round, grounded rods arranged concentrically around it, between which there are spaces through which the ions can drift outwards.
However, this charge carrier source has the disadvantage that the charge carriers generated by it through corona discharges between the high-voltage electrode and the grounded rods are not sufficient for a complete charge reduction in highly charged insulating materials. In particular, it must not be located near grounded metal parts of the machine used for processing the insulating material, since in this case so many charge carriers are withdrawn from the charge cloud that the surface charge of the insulating material can no longer be reduced. This charge carrier source also has the disadvantage that the grounded rods can be easily bent, especially in the case of longer versions.
Furthermore, the dirt that accumulates inside the bars during prolonged operation is difficult to remove. On the one hand, this can result in a reduction and locally uneven distribution of the ionization and, on the other hand, spark discharges. Another disadvantage of this design is that a short circuit between the high-voltage electrode and the grounded rods, as can be caused by a metal chip, for example, leads to an operating failure of the entire charge carrier source. Furthermore, despite its protected arrangement, the high-voltage electrode can be touched with a tool, such as a screwdriver, so that there is still a certain risk of accidents.
A charge carrier source is also known in which two smooth rails are used as high-voltage electrodes, which are accommodated in two parallel openings of a plastic rod and enclosed on all sides by plastic. The grounded counter electrode is arranged in a groove running along the rod between the rails and provided with a series of tips. In this embodiment, no short circuits can occur, but it has the disadvantage that its power and ionization rate are still significantly lower than those of the charge carrier source described above.
An ionization device is also known in which the rod-shaped charge carrier source has on each of the two rod sides a grounded metal rail serving as a counter-electrode, the upper edge of which is rounded. In between, a rod made of resistance material is arranged, which is connected on the lower side to a metal rail connected to the high voltage and is provided on the upper side with a series of metal tips that serve as high-voltage electrodes. Even with this charge carrier source, the charge cloud generated is in many cases insufficient for a complete breakdown of the charges.
Since the resistance material practically fills the entire space between the side rails, is not covered on the upper side and has a very high resistance, the surface contamination that occurs during operation causes leakage currents, which reduce the electrode voltage and thus an additional reduction in ionization. Furthermore, this embodiment has the disadvantage that if the resistance material is defective, the entire resistance rod with all high-voltage electrodes must be replaced.
Furthermore, a charge carrier source is known in which the high-voltage electrodes are formed by a series of tips, each of which is preceded by a resistor serving to limit the current. The ground electrodes are formed by two blunt rails arranged on both sides of the tips. In this version, too, the charge cloud generated is often not sufficient to break down the charges.
For use in areas at risk of explosion, a charge carrier source is also known which has only one electrode which is electrically connected to ground and is provided with a series of tips. This charge carrier source is arranged during operation in such a way that the tips are directed towards the surface of the charged insulating material and are at a distance of about 1 cm from it. At high field strengths, discharges then take place between the tips and the surface of the insulating material, as a result of which the surface charge is reduced. This charge carrier source can indeed supply a large number of free charge carriers, but since the peak discharges only take place when the field strength is at least a few kV / cm, a residual charge always remains here as well.
It is therefore one of the objectives of the invention to create a charge carrier source in which a complete breakdown of the surface charges is possible even with highly charged insulating materials. The object is achieved according to the invention by a source of the type mentioned at the outset, which is characterized in that each directly connected electrode has a cutting edge or row of tips extending essentially over its entire length. The invention also relates to a method of operating the source. According to the invention, this is characterized in that the electrodes, which are connected in a directly conductive manner, are connected in an electrically conductive manner to the ground and the individual electrodes are connected to the high voltage of a high voltage source.
An embodiment of the subject matter of the invention and a variant thereof is shown in the drawing and is described in more detail below. In the drawing, FIG. 1 shows a circuit diagram of an ionization device with a charge carrier source with a single electrode group, FIG. 2 shows a plan view of a charge carrier source, FIG. 3 shows a section along the line III-III in FIG. 2, FIG. 4 shows a section along the line IV-IV in FIG. 2 and FIG. 5 shows a circuit diagram of a charge carrier source with two individual electrode groups.
1 shows a diagram of an ionization device with a voltage source 1 and a charge carrier source 10 which is used to generate free charge carriers by means of corona discharges. The voltage source is connected to the mains via a three-pole cable with an earth conductor and has a two-pole switch 2 and a display the operating state serving glow lamp 3 on.
The high voltage required for operation is generated by a transformer 5 with encapsulated windings. The high voltage can be set on the primary side using a step switch 4. The two ends of the secondary winding are connected to two terminals 6 and 7, respectively, of which the former is grounded.
The charge carrier source 10 connected to the two-pole output of the voltage source has two electrodes 11 and several individual electrodes 12 which together form several discharge paths. The two electrodes 11 are connected directly to the grounded connection 24, whereas the individual electrodes 12 are each connected to the other connection 25 via a series resistor 13 serving as a current limiting element.
2, 3 and 4 show a particularly useful one
Execution of the charge carrier source 10. It has a glass fiber reinforced epoxy resin consisting of rod-shaped body 15 with a substantially rectangular cross-section. He is on his upper side with a center
Groove 31 and two grooves 32 arranged symmetrically thereto, each opening into a groove 33, and provided with a groove 34 on the lower side. The grooves 33 and the grooves
31, 32, 34 all run parallel to the longitudinal axis of the body
15 and extend over its entire length. The body 15 is also provided with a series of vertical, along the
Longitudinal axis at equidistant spacings arranged bores 35 provided with two sections 35a, 35b, of which the lower one having the larger diameter
Section 35a in the groove 34 and the upper in the groove 31 mün det.
The lower sections 35a each contain a resistor 13. The upper connections of these resistors penetrate the bore sections 35b and the groove 31 so that their free ends are approximately flush with the upper surface 15a of the body 15 and serve as individual electrodes 12 . They are cut off with pliers during manufacture and therefore form sharp-edged tips. The unte Ren terminals of the resistors 13 are connected to one in the
Groove 34 housed conductor 17 soldered. The groove 34 is closed from the outside by a rod 19 made of insulating material, for example glass fiber reinforced epoxy resin, so that the conductor 17 connected to the connection 25 and the lower connections of the resistors 13 are insulated from the outside.
The profile bar 19 is through a further
Profile bar 18 held, the leg ends of which engage in two seitli che longitudinal grooves 37 of the body 15.
One of the two electrodes is in each of the two grooves 32
11 arranged, which extends over the entire length of the body
15 extend. These electrodes 11, which are electrically conductively connected to the common terminal 24, are designed like a saw blade and let into the groove 32 so deep that their tooth-shaped tips 11 a are approximately flush with the upper surface 15 a.
The ge through the upper terminals of the resistors 13 formed electrodes 12 and the tips 11a so together men form discharge paths between which corona discharges take place when the high voltage is correctly set. The
Individual electrodes 12 form one to the two electrodes
11 parallel row, but the distance between tween two successive tips 11 a is much smaller than that between adjacent individual electrodes 12, so that several of the latter on both sides
Lead away discharge paths. In this way, it is possible, please include over the entire length and width of the body 15 to achieve a relatively uniform ionization.
Since both the electrodes connected to high voltage and those connected to earth potential have tips, a high corona discharge current density and thus a high ionization rate can be achieved even with a relatively low high voltage.
At the ends of the charge carrier source 10, not shown in FIGS. 2 and 3, the body 15 is closed off by a respective metal angle to which the electrodes 11 are connected in a fixed and conductive manner. Furthermore, at the end of the body there is either a gland into which a high-voltage cable is inserted, which connects the conductor 17 to the connection 7 of the voltage source via a terminal 25 serving as a connection, or a coupling via which the conductor 17 to the high-voltage conductor of another Charge carrier source can be connected.
The fact that the electrodes 11, 12 are approximately flush with the upper outer surface 15a of the body 15 ensures that the free charge carriers generated during the corona discharge, i.e. the positive and negative ions and electrons, can be distributed unhindered, so that a large-scale, homogeneous charge cloud is created. Of course, the plasma source 10 is mounted so that its outer surface 15a faces the surface of the insulating material to be discharged during operation. When the charge carrier source is operated with an alternating voltage, the charge cloud has a positive potential with respect to grounding during one half cycle and a negative potential during the other half cycle. The insulating materials to be discharged then pull the charge carriers necessary for charge equalization out of the charge cloud according to the sign of their charge.
This occurs predominantly when the potential difference between the charge cloud and the charge is greatest, i.e. during the half-waves during which their potentials have different signs. The large expansion of the charge cloud ensures that even large-area insulating materials, such as plastic foils, which are guided past the charge carrier source at a relatively high speed, are reliably and properly discharged.
In the case of high charges, corona discharges also take place between the tips 11a of the grounded electrodes 11 and the charged insulating material, additional charge carrier pairs being generated by impact ionization.
When the insulating material is transported past the charge carrier source, the charge reduction in the case of strong charges initially takes place primarily through the corona discharges occurring between the tips 11 a of the grounded electrodes 11 and the insulating material. The insulating material can thereby be discharged until the field strength between the insulating material and the tips 11 a is no longer sufficient to maintain the discharge. The remaining charge is then reduced by the charge carriers generated between electrodes 11 and 12. This makes it possible to supply more charge carriers to the insulating material to be discharged than are generated by the corona discharge between the electrodes 11 and 12. This significantly increases the efficiency of the ionization device.
This is particularly advantageous when the charge carrier source has to be arranged in the vicinity of earthed metal parts. In the case of the previously known charge carrier sources, in which the grounded electrodes have no tips, so many charge carriers were withdrawn from the charge cloud by such metal parts that a complete breakdown of the charges was no longer possible. Since the grooves 33 also partially release the electrodes 11 towards the sides, the corona discharges taking place between the electrodes 11 and the insulating material can extend relatively far outward laterally, which is very advantageous at high transport speeds.
In principle, with the charge carrier sources according to the invention and with most of the previously known charge carrier sources, discharges could also take place between the tips of the high-voltage electrodes and the surface of the insulating material. However, since the currents for such discharges have to flow to earth via the current limiting resistors and the internal resistance of the voltage source, these discharges contribute only little to the charge reduction.
In the embodiment shown in FIGS. 2 to 4, the insulating rod 19 has a groove forming a continuous channel 19a, and a further continuous, vertical bore 36 with two sections 36a and 36b is arranged in the body 15 between the bores containing the resistors 13 . The lower bore section 36a with the larger diameter opens into the channel 19a, which is sealed from the outside by sealing elements (not shown) and is connected at one end of the charge carrier source to a device for connecting a gas line.
If a gas or compressed air source is now connected to this, the gas flows through the channel 19a, which serves as a pressure line, to the various bores 36, the bore sections 36b opening outwards in the area of the electrodes 11, 12, namely in the surface 15a, acting as outlet nozzles . Since the resistors 13 do not close off the bores 35 tightly, gas also flows through them to the outside, so that a strong flow, directed perpendicularly away from the surface 15a, arises. This blowing device enables effective dedusting to be carried out simultaneously with the discharge of the insulating materials.
The charge carrier source can of course be produced and operated both with and without a blowing device. In the latter case, the movement of the charge carriers is only determined by diffusion effects and the drift caused by the electric field, while in the former case an additional transport takes place by convection. The blowing device thus makes it possible to give the charge carriers a preferred speed directed away from the charge carrier source.
The resistor 13 connected upstream of each electrode 12 limits the maximum current flowing through the electrode. For example, operating voltages of 2000-5000 V and resistances of around 50 Mfl are used, so that the current per electrode is limited to 0.1 mA. This can prevent accidental contact with the electrodes.
In normal operation, when the current increases through the resistors, the voltage across the discharge path is reduced at the same time. This results in a certain voltage stabilization and an extensive suppression of spark discharges, even when operating with alternating voltage. This is a significant advantage, especially when the ionization devices are operated in rooms with a risk of fire. Another advantage of the resistors is that in the event of a short circuit between one of the electrodes 12 and the electrodes 11 or another grounded metal part, only the voltage at the electrode 12 directly affected by the short circuit breaks down, while the other electrodes 12 maintain their voltage and are undisturbed keep working.
With the structure of the charge carrier source described above, it is easily possible to replace individual defective resistors. For this purpose, only the profile bar 18 and the bar 19 need to be removed, the defective resistor unsoldered from the conductor 17 and the latter bent away so that the resistor can be pulled out of the hole.
Since the voltage source 1 supplies an alternating voltage in the exemplary embodiment described above, capacitors can also be used as current limiting elements instead of ohmic resistors. At a mains frequency of 50 Hz, a capacitance of around 30 pF is appropriate. On the other hand, there is of course the possibility of using a direct voltage source instead of an alternating voltage source. It goes without saying that the voltage setting at the voltage source can also be made by an upstream rotary resistor or electronically, for example by a triac, instead of a step switch. Furthermore, there are of course a great many possibilities for the arrangement and design of the electrodes. For example, instead of forming the connections of the resistors 13 directly as electrodes, it is possible to solder special tips to them.
Furthermore, instead of having a series of tips, the directly connected electrodes can be provided with a cutting edge extending over their entire length.
5 shows the circuit diagram of a further embodiment of a charge carrier source designated as a whole by 50. It has a pair of electrodes 51 directly connected to a connection 54 and two groups of individual electrodes 52 or 62, each of which is preceded by a resistor 53 or 63 and which are connected in groups to one of the connections 55 or 65.
The charge carrier source 50 is constructed similarly to the charge carrier source 10 shown in FIGS. 2 to 4, but the resistors are not all connected to the same conductor 17 but alternately to two different conductors connected to the terminals 55 and 65, respectively are.
In this embodiment, the directly connected electrodes can be connected to ground potential and the two groups of individual electrodes can be connected to different potentials, for example to a positive or negative DC voltage.
PATENT CLAIM 1
Source (10, 50) for generating free charge carriers by means of corona discharges, with at least one group of individual electrodes (12, 52, 62) which are each connected to a connection (25, 55 , 65) are connected, and with at least one electrode (11, 51) connected in a directly conductive manner to another connection (24, 54), characterized in that each directly connected electrode (11, 51) extends essentially over its entire length has extending cutting edge or series of tips (lla).
SUBCLAIMS
1. Source (10, 50) according to claim, characterized in that each individual electrode (12, 52, 62) has a tip.
2. Source (10, 50) according to claim, characterized in that it has two mutually parallel electrodes (11, 51) connected directly to a common connection (24, 54) and between them a series of pointed individual electrodes ( 12, 52, 62).
3. Source (10, 50) according to claim, characterized in that it has a body (15) made of glass fiber reinforced epoxy resin and used to hold the electrodes (11, 12, 51, 52, 62).
4. Source (10, 50) according to claim, characterized in that it has a channel (19a) serving as a pressure line, with which openings (35) are connected which are in the region of the electrodes (11, 12, 51, 52, 62 ) outward
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