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Technisches Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft Barrierenentladungselektroden, welche eine erste und eine zweite dielektrische Schicht und zwischen diesen eine elektrisch leitende, mit Hochspannung beaufschlagbare Schicht aufweisen, wobei an der von der elektrisch leitenden Schicht abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Kanal vorhanden ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Barrierenentladung, die mindestens eine solche Elektrode aufweist. Eine solche Vorrichtung kann zur Behandlung von Oberflächen, insbesondere von flachen Bahnmaterialien, z. B. Folien oder Metallplatten, mit Plasmen bei Atmosphärendruck eingesetzt werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind solche, bei denen ein hoher Materialdurchsatz, insbesondere von thermisch empfindlichen Kunststoffen, erreicht werden muss und eine lange Lebensdauer der Vorrichtung erwünscht ist.
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Stand der Technik
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Barrierenentladungen, auch als stille Entladungen oder Corona-Entladungen bezeichnet, eignen sich gut zur Behandlung von Oberflächen bei Atmosphärendruck. Mittels der bei der Barrierenentladung erzeugten Plasmen, bzw. der dadurch produzierten freien Radikale lassen sich Materialien wie beispielsweise Kunststoffe oder Metalle in ihrer Oberflächenchemie verändern. Auf diese Weise kann auf Oberflächeneigenschaften dieser Materialien gezielt eingewirkt werden. So kann etwa die Wasserbenetzbarkeit der behandelten Oberflächen nach Bedarf verbessert oder verschlechtert werden. Weitere Anwendungen betreffen z. B. ihre Bedruckbarkeit oder die Haftung von Klebstoffen oder Laminaten auf der Oberfläche.
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Elektroden, welche für die Erzeugung von Barrierenentladungen eingesetzt werden, bestehen üblicherweise aus keramischen Materialien, wie etwa Aluminiumoxid, oder Quarzglas. Typischerweise liegen sie in Form von Rohrelektroden mit einem rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt vor. In der Regel werden sie in einem festen Abstand von einigen Millimetern über einer geerdeten Elektrode angeordnet. Dabei besteht jene Erdelektrode meist aus blankem Metall oder ist mit einer dielektrischen Schicht wie etwa Silikonkautschuk oder Keramik überzogen.
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Wird an die Rohrelektrode eine wechselfrequente Hochspannung angelegt, zündet im Spalt zwischen Rohr- und Erdelektrode eine Barrierenentladung, wobei dort ein nicht-thermisches Plasma erzeugt wird.
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Zur ökonomischen Verwendung von Barrierenentladungen zur Behandlung von Oberflächen werden im allgemeinen große Bahngeschwindigkeiten der zu bearbeitenden Bahnmaterialien, üblicherweise mehrere 100 m/min, benötigt. Dies erfordert besonders hohe Leistungsdichten der Barrierenentladungselektroden. Die thermische Belastung der Elektroden ist bei diesen erforderlichen hohen Leistungsdichten sehr hoch. Für eine hinreichende Lebensdauer der Vorrichtung, insbesondere der Elektroden, ist daher eine wirkungsvolle Kühlung unabdingbar.
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Die Kühlung der Erdelektrode lässt sich mittels Durchströmung mit Wasser erreichen, wenn die Erdelektrode in Form einer zylindrischen hohlen Walze ausgebildet ist. Die Kühlung der Hochspannungselektroden erfolgt bisher vielfach nicht durch eine Flüssigkeitskühlung, stattdessen durch Konvektion von außen, beispielsweise durch einen Luftstrom, der infolge der zwingend erforderlichen Absaugung des Ozons entsteht, das bei der Barrierenentladung in Luft produziert wird (Maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) für Ozon: 0,1 ppm). Aufgrund der geringen Wärmekapazität der Luft und des schlechten Wärmeübergangs von der Elektrode in die Luft ist diese Form der Kühlung jedoch für hohe Leistungsdichten nicht ausreichend. Derartig gekühlte Hochspannungselektroden besitzen daher nicht die erwünschten Leistungsdichten und/oder weisen eine vergleichsweise niedrige Lebensdauer auf.
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In der
WO 2004/068 916 A1 wird eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung einer Barrierenentladung angegeben, bei der die Entladung zwischen zwei dielektrischen Elektroden gezündet wird. Die Kühlung erfolgt dabei durch eine Durchströmung der Elektroden mit einer Kühlflüssigkeit. Durch den direkten Kontakt von Hochspannung und Kühlmittel kommt es jedoch zu elektrischen Leistungsverlusten in der Kühlflüssigkeit. Darüber hinaus ist die Wahl des Kühlmittels eingeschränkt. Die Kühlflüssigkeit muss eine möglichst gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um die Leistungsverluste im Kühlmittel so gering wie möglich zu halten. Als Kühlflüssigkeit wird bevorzugt eine Salzlösung verwendet. Hierfür ist ein spezieller geschlossener Kühlkreislauf vorzusehen.
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Die gattungsbildende
DE 27 53 750 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folienbahnen mittels elektrischer Coronaentladung. Diese Vorrichtung wird durch einen Walzenkörper gebildet, der zwei ineinander geschobene, eng anpasste Rohre aufweist, welche aus einem dielektrischen Material bestehen. Zwischen diesen Rohren befindet sich eine elektrisch leitende Schicht, welche mit einem hochgespannten Wechselstrom beaufschlagbar ist. Durch das Innere des Walzenkörpers kann ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium hindurchgeleitet werden.
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Die
DE 36 40 966 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Coronaelektrode. Dabei wird ein elektrisch leitfähiger Kern mit einem nichtoxydischen keramischen Material beschichtet. Der elektrisch leitfähige Kern ist dabei in einer Ausführungsform mit einer in Richtung seiner Längsachse verlaufenden Kühlbohrung versehen. In dem Fall ist der elektrisch leitfähige Kern sowohl außen als auch innen mit dem dielektrischen Material beschichtet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Barrierenentladungselektrode anzugeben, welche eine lange Lebensdauer aufweist und insbesondere bei hohen Leistungsdichten eine effektive Kühlung durch ein beliebig schwach leitendes Kühlmedium ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch eine Barrierenentladungselektrode gemäß Anspruch 1 oder durch eine Barrierenentladungselektrode gemäß Anspruch 2 sowie durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Barrierenentladung gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich das technische Problem durch eine Barrierenentladungselektrode (10) lösen lässt, welche eine erste (8) und eine zweite dielektrische Schicht (1) und zwischen diesen eine elektrisch leitende, mit Hochspannung beaufschlagbare Schicht (7) aufweist, wobei an der von der elektrisch leitenden Schicht (7) abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht (8) ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Kanal (9) vorhanden ist und das Material der ersten dielektrischen Schicht eine kleinere Dielektrizitätskonstante aufweist als das Material der zweiten dielektrischen Schicht.
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Ebenso lässt sich das technische Problem durch eine Barrierenentladungselektrode (10) lösen, welche eine erste (8) und eine zweite dielektrische Schicht (1) und zwischen diesen eine elektrisch leitende, mit Hochspannung beaufschlagbare Schicht (7) aufweist, wobei an der von der elektrisch leitenden Schicht (7) abgewandten Seite der ersten dielektrischen Schicht (8) ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Kanal (9) vorhanden ist und die zweite dielektrische Schicht (1) und/oder die erste dielektrische Schicht (8), jeweils an deren der elektrisch leitenden Schicht (7) zugewandten Seite mit einer metallischen Beschichtung versehen ist. Mit Hilfe dieser Metallisierung lässt sich eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Feldes erzielen, um eine einheitlich ausgebildete Entladung zu erzielen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Barrierenentladungselektrode ist es möglich, sie effektiv zu kühlen. Auf diese Weise kann die Elektrode bei einer konstanten Temperatur gehalten werden, welche niedriger ist als die in bisher bekannten Ausgestaltungen vorliegenden Temperaturen. Besonders bei hohen Leistungsdichten wirkt sich dies vorteilhaft aus, insbesondere auf die Lebensdauer der Elektrode, da Temperaturschwankungen und damit die Materialbelastung beim Ein- und Ausschalten der Elektrode verringert werden. Damit ist es möglich, im Vergleich zum Stand der Technik höhere Leistungsdichten einzusetzen, so dass mit höheren Bahngeschwindigkeiten des zu behandelnden Bahnmaterials gearbeitet werden kann.
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Der durch die Anordnung erzielte Effekt, dass die freigesetzte Wärme nahe der Plasmazone effizient abgeführt wird, wirkt sich auch auf das behandelte Material positiv aus, da auch die auftretende Prozesstemperatur abgesenkt werden kann. Dies ist beispielsweise besonders wichtig bei der Oberflächenbehandlung von thermisch empfindlichen Kunststoffen. Daher eignet sich die erfindungsgemäße Barrierenentladungselektrode für derartige Materialien besonders. Die Kühlung der Plasmazone kann lokal auch eine größere Ozonkonzentration hervorrufen, was je nach behandeltem Substrat den Behandlungseffekt verstärken kann.
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Vorzüge hat die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus auch für die Behandlung von Metalloberflächen. Insbesondere ist die Erfindung gut geeignet bei der Behandlung von Metallbahnen oder -platten, welche nach Vorfabrikationsschritten unerwünschte Fett- oder Ölschichten aufweisen. Bei ihrer Reinigung sind besonders hohe Leistungsdichten erforderlich, die durch die Erfindung ermöglicht werden.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung der Barrierenentladungselektrode ist die elektrische Hochspannungszuführung und das Kühlmedium räumlich voneinander getrennt. Die Beaufschlagung der Elektrode mit Hochspannung erfolgt an der elektrisch leitenden Schicht (7). Diese verteilt das Potential der Hochspannung auf die Elektrodenfläche. Zwischen der elektrisch leitenden Schicht (7) und dem vom Kühlmedium durchströmbaren Kanal (9) befindet sich die erste dielektrische Schicht (8). Diese sorgt für einen großen elektrischen Spannungsabfall in Richtung des Kanals (9) und vorzugsweise für eine weitgehende elektrische Isolation des Kanals (9) bzw. des diesen durchströmenden Kühlmediums. Dadurch ist eine räumliche Trennung des Kühlmediums und der Hochspannungszuführung erreicht. Somit kann ein beliebig schwach leitendes Kühlmedium eingesetzt werden. Gerade bei Verwendung eines elektrisch nicht oder nur schwach leitenden Kühlmediums ist gewährleistet, dass es zu keinen nennenswerten elektrischen Leistungsverlusten im Kühlmedium kommt. Insbesondere ist es möglich, als Kühlmedium Wasser, insbesondere Leitungswasser zu verwenden. Diese Wahl des Kühlmediums stellt besonders geringe Anforderungen an den Kühlkreislauf und macht den Aufbau und Betrieb besonders einfach und preiswert.
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Vorzugsweise wird für die erste dielektrische Schicht eine größere Schichtdicke vorgesehen als für die zweite dielektrische Schicht. Auf diese Weise wird eine verbesserte Spannungsfestigkeit der ersten Schicht und eine bessere Isolation des Kühlmediums erreicht. Bestimmend für die Größe der Leistungsverluste im Kühlmedium ist unter anderem die Kapazität der ersten dielektrischen Schicht im Verhältnis zur Kapazität der zweiten dielektrischen Schicht, wobei es vorteilhaft ist, die Kapazität der ersten Schicht möglichst klein zu wählen. Die Kapazität der ersten Schicht kann verkleinert werden, wenn der Quotient aus Dielektrizitätskonstante und Schichtdicke verkleinert wird.
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Eine einfach zu realisierende Ausgestaltung der Erfindung ist gegeben, wenn die erste dielektrische Schicht (8) als Wand einer Hohlform ausgebildet ist. Durch die Hohlform lässt sich das Kühlmedium hindurchleiten, mit anderen Worten stellt die Hohlform die Berandung des Kanals (9) dar. Zumindest der Teil der Wand der Hohlform, der sich zwischen der elektrisch leitenden Schicht (7) und dem vom Kühlmedium durchströmbaren Kanal (9) befindet, vorzugsweise jedoch die gesamte Hohlform, ist erfindungsgemäß aus dielektrischem Material gebildet. Als Hohlform lässt sich besonders einfach ein Rohr verwenden. Derartige Rohre aus dielektrischem Material, wie etwa Keramikrohre sind Standardbauteile und daher in nahezu allen Größen und in unterschiedlichen Querschnittsgeometrien leicht erhältlich und insbesondere preiswert.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dann gegeben, wenn die erste dielektrische Schicht durch die Wand eines ersten Rohres und die zweite dielektrische Schicht durch die Wand eines das erste Rohr umschliessenden zweiten Rohres gebildet ist. Mit anderen Worten liegen in dieser Ausgestaltung zwei ineinandergeschobene Rohre, d. h. ein inneres und ein äußeres Ror vor. Durch die Wand des inneren Rohres wird dabei die erste, durch die Wand des äußeren Rohres die zweite dielektrische Schicht gebildet. Die Rohre können beispielsweise einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Eine derartige Ausgestaltung stellt eine besonders kompakte und darüber hinaus aufgrund der doppelwandigen Ausführung eine besonders sichere Anordnung dar. So wird in dieser Anordnung die Gefahr, dass bei einer Beschädigung der Elektrode das Kühlmittel austritt und beispielsweise durch Kurzschluss Schäden an anderen Maschinenteilen hervorruft, erheblich gesenkt und damit die Betriebssicherheit erhöht.
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Die dielektrischen Schichten können aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Mögliche Materialien sind unter anderem Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, oder aber Gläser, wie etwa Quarz. Keramiken weisen neben hoher mechanischer und thermischer Stabilität eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und große Dielektrizitätskonstanten auf. Keramiken und Gläser sind weitgehend chemisch inert. Speziell für die erste dielektrische Schicht sind auch vergleichsweise preisgünstige Polymere (z. B. PTFE, PFA) einsetzbar, da diese nicht in direktem Kontakt mit dem Plasma steht.
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Die elektrisch leitende Schicht kann aus einem mit Metallpulver versetzten Grundmedium, wie beispielsweise Silikon, Keramikzement, Epoxidharz oder Gel, einem metallischen Pulver und/oder einem Metallgranulat ausgebildet sein. Dies soll eine preisgünstige und einfache Montage bei gleichzeitig guter elektrischer Kontaktierung sicherstellen. Ein möglichst hoher metallischer Anteil ist vorteilhaft. Die elektrisch leitende Schicht befindet sich zwischen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht und füllt diesen Zwischenraum ganz oder teilweise aus. Eine möglichst hohe Ausfüllung des Zwischenraums, d. h. eine möglichst dichte Packung ist bevorzugt, um das Auftreten von parasitären Entladungen zu vermeiden. Ausserdem wird durch die metallische Füllung eine gute Wärmeleitung zwischen der Elektrodenaussenseite und dem Kühlmedium sichergestellt.
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Zur Erzeugung der Barrierenentladung kann die erfindungsgemäße Barrierenentladungselektrode in einem definierten Abstand zu einer zweiten Elektrode angeordnet werden. Dabei kann es sich um eine geerdete oder um eine weitere Hochspannungselektrode handeln. Diese kann beispielsweise als Metallplatte oder -walze ausgebildet und blank oder mit einer dielektrischen Schicht überzogen sein. Bei Anregung mit symmetrischen Hochspannungen ist es zudem möglich bzw. sinnvoll, auch die zweite Elektrode entsprechend der erfindungsgemäßen Barrierenentladungselektrode auszubilden.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine gekühlte Barrierenentladungselektrode (10) bestehend aus einer ersten dielektrischen Schicht (8) und einer zweiten dielektrischen Schicht (1); diese werden hier jeweils durch ein Rohr gebildet. Die Rohre können beispielsweise einen kreisförmigen oder auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, in diesem Fall soll es sich um kreisförmige Rohre handeln. Der Durchmesser der Rohre liegt im Bereich von einigen Zentimetern. Die Länge der Rohre ist eine Skalierungsgröße. Der Innendurchmesser des äußeren Rohres ist um ca. 1 mm größer als der Außendurchmesser des inneren Rohres. Der Raum zwischen den beiden Rohren ist ganz oder teilweise mit einer elektrisch leitenden Masse ausgefüllt.
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Der Zwischenraum der Rohre ist an den seitlichen Enden mit einem Rohrverschluss (2) versehen. An der einen Seite ist ein Hochspannungskabel (4) mit der elektrisch leitenden Schicht (7) über eine geeignete Durchführung leitend verbunden. Das innere Rohr wird über einen Anschlussstutzen (5) abgedichtet, über welche gleichzeitig die Zu- und Abfuhr des Kühlmediums durch die Kühlmittelschläuche (3) erfolgt. Dadurch ist eine Trennung der elektrischen Hochspannung und dem Kühlmedium erreicht, wodurch als Kühlmedium einfaches Leitungswasser verwendet werden kann.
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Die Barrierenentladungselektrode weist einen Abstand von einigen Millimetern zu einer geerdeten Elektrode (6) auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zweite dielektrische Schicht
- 2
- Rohrverschluss
- 3
- Kühlmittelschläuche
- 4
- Hochspannungskabel
- 5
- Anschlussstutzen
- 6
- geerdete Elektrode
- 7
- elektrisch leitende Schicht
- 8
- erste dielektrische Schicht
- 9
- durchströmbarer Kanal
- 10
- Barrierenentladungselektrode
