DE102012007240A1

DE102012007240A1 - Einstellbarer Hochspannungswiderstand

Info

Publication number: DE102012007240A1
Application number: DE201210007240
Authority: DE
Inventors: Jonas Franz; Markus Cudazzo
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-10
Also published as: DE102012007240B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen einstellbaren und veränderbaren Hochspannungswiderstand, mit dem ein Strom durch diesen Widerstand bei vorgegebener Spannung einstellbar und veränderbar ist. Der Hochspannungswiderstand nutzt aus, dass ein Strom, der durch Ionisation eines Mediums verursacht wird, von dem Druck dieses Mediums abhängt. Die Erfindung betrifft außerdem einen auf dem Hochspannungswiderstand basierenden Spannungsteiler sowie eine elektrostatische Beschichtungsvorrichtung, in welcher eine Spannung an einer Driftstrecke mittels des Hochspannungswiderstandes steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen einstellbaren und veränderbaren Hochspannungswiderstand, mit dem ein Strom durch diesen Widerstand bei vorgegebener Spannung einstellbar und veränderbar ist. Der Hochspannungswiderstand nutzt aus, dass ein Strom, der durch Ionisation eines Mediums verursacht wird, von dem Druck dieses Mediums abhängt. Die Erfindung betrifft außerdem einen auf dem Hochspannungswiderstand basierenden Spannungsteiler sowie eine elektrostatische Beschichtungsvorrichtung, in welcher eine Spannung an einer Driftstrecke mittels des Hochspannungswiderstandes steuerbar ist.
Im Bereich der Starkstromtechnik ist es erforderlich, hohe Spannungen zu schalten.
Bei elektrostatischen Applikationen wird das Schalten bzw. Steuern oder Regeln der Hochspannungsseite meist vermieden. Normalerweise wird dort ein Steuersignal im Niederspannungsbereich eingesetzt, um die Hochspannungsseite zu modulieren bzw. zu schalten. Aufgrund der hohen Kapazität der Hochspannungsgeneratoren und der hohen Spannung stellt jedoch das Abfließen der Ladung einen Zeitprozess dar, der das Schalten bzw. Steuern und Regeln der Hochspannungsseite erschwert. Es ergeben sich daraus u. a. Zündgefahren, die durch den Einsatz von Erdschaltern vermieden werden sollen. Durch diese wird die entstandene Ladung gegen Erde abgebaut wird.
Das Schalten von hohen Spannungen hat eine besondere Bedeutung in Anwendungen, in denen Hochspannungsimpulse anstelle einer Gleichspannung zum Einsatz kommen sollen. Beispielsweise können Hochspannungsimpulse für verschiedene elektrostatische Anwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise in der elektrostatischen Pulverbeschichtung wie auch im Elektrofilterbereich. Hier soll gegenüber reiner Gleichspannung ein reduzierter Luftionenstrom und dadurch eine verringerte Rücksprühneigung erzielt werden. Nach dem Stand der Technik werden hier in der Regel Hochspannungssignale moduliert, indem unterschiedliche Spannungssignale überlagert werden oder ein Steuersignal moduliert wird, das die Hochspannungsseite ansteuert.
Ein anderer Ansatz zur Erzeugung von gepulster Hochspannung besteht darin, die Hochspannungsseite selbst zu schalten. Bei dieser Technik ist es wesentlich einfacher, Auflade- und Entladezeiten sehr kurz zu halten. Zum Schalten der Hochspannungsseite eignen sich prinzipiell beispielsweise Elektronenröhren. So wurden beispielsweise Röhrenverstärker zur Erzeugung von pulsierenden Spannungssignalen in elektrostatischen Applikationen, beispielsweise für den Pulvertransport, eingesetzt. Diese Technik geht jedoch mit einem hohen Platzbedarf einher, ist störungsanfällig und verschwindet nach und nach mit wenigen Ausnahmen vom Markt.
Auch bewegliche, beispielsweise rotierende Funkenstrecken sind grundsätzlich denkbar. Die Variabilität des Hochspannungssignals sowie dessen Steuerbarkeit bzw. Regelbarkeit sind hier aber stark eingeschränkt.
Bekannt sind auch einige Anwendungen von Halbleiterschaltern. Diese sind im Aufbau jedoch so kostspielig, dass sie für den Massenmarkt der elektronischen Pulverbeschichtung unattraktiv sind.
Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung ist ein Verfahren zur pistolenlosen Pulverbeschichtung mittels eines elektrostatischen Fluidisierbehälters in der Entwicklung. Hierbei wurde u. a. der Einsatz von gepulster Hochspannung mittels eines universell einsetzbaren Labor-Hochspannungsverstärkers der Fa. Trek vom Typ Trek 30/20 A getestet. Dieses Verfahren ist jedoch teuer und erfordert bei der Bedienung elektrotechnisch geschultes Personal.
Auch bei handelsüblichen 50 Hz-Techniken wird das Niederspannungssignal auf einen höheren Spannungswert verstärkt. Nachteil dieser Technik ist es, dass die sich abbauende und aufbauende Ladung das erwünschte Hochspannungssignal verfälscht. Daher wird bei hochwertigen Hochspannungsverstärkern die Kapazität des Verstärkers und der Kabel möglichst gering gehalten.
Im Starkstrombereich werden sehr robuste mechanische Schalter eingesetzt, die nur sehr langsame Schaltspiele ermöglichen. Im elektrostatischen Einsatz werden Erdschalter ebenfalls in der Form von mechanischen Schaltern, zum Teil mittels Reed-Relays-Reihenschaltern oder Diodenschaltern realisiert, die jedoch teuer und nicht sehr robust sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen Hochspannungswiderstand bereitzustellen, der auch als Erdschalter, Hochspannungsimpulsschalter und in einem einstellbaren Hochspannungsteiler (Hochspannungspotentiometer) beispielsweise für eine Stromkonstantregelung eingesetzt werden kann. Der Schalter soll vorteilhafterweise möglichst so klein sein, dass er in elektrostatische Sprühaggregate, wie beispielsweise Pulversprühpistolen oder elektrostatische Flüssiglackzerstäuber (z. B. Hochrotationsglocken) integrierbar ist. Vorteilhafterweise sollen Pulsfrequenzen von ≥ 5 Hz erzielbar sein.
Die Aufgabe wird gelöst durch den einstellbaren Hochspannungswiderstand nach Anspruch 1, den Spannungsteiler nach Anspruch 15, die elektrostatische Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 17 sowie das Verfahren zum Steuern eines Stroms nach Anspruch 18 und die Verwendung des erfindungsgemäßen einstellbaren Hochspannungswiderstands nach Anspruch 20. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des einstellbaren Hochspannungswiderstandes, des Spannungsteilers, der elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung und des Verfahrens zum Steuern eines Stroms an.
Erfindungsgemäß wird ein einstellbarer Hochspannungswiderstand angegeben. Der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand ist eine Vorrichtung, durch welche bei Anlegen einer Hochspannung ein Strom leitbar ist, wobei die Vorrichtung es erlaubt, die Stromstärke des fließenden Stroms bei gegebener Spannung einzustellen und zu verändern. Wird die Vorrichtung mit einem vorgegebenen Strom beaufschlagt, so erlaubt sie die Einstellung der Spannung.
Sofern der Widerstandswert des Hochspannungswiderstands nicht auf unendlich eingestellt ist, bewirkt die Spannung einen Strom durch den erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand.
Sofern hier von einem unendlichen Widerstand bzw. keinem Strom die Rede ist, heißt dies, dass der Widerstand so hoch ist bzw. der Strom so gering ist, dass er verglichen mit den Stromstärken, die fließen, wenn der Widerstand endlich ist oder der Strom nicht verschwinden soll, vernachlässigbar ist, selbst wenn der Strom tatsächlich nicht Null ist und der Widerstand tatsächlich nicht unendlich ist. Alternativ kann von maximalem Widerstand bzw. minimalem Strom gesprochen werden.
Insbesondere kann der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand zur Regelung von Strom und/oder Spannung ausgelegt sein und verwendet werden.
Erfindungsgemäß weist der Hochspannungswiderstand eine Druckkammer auf, innerhalb derer ein Druck eines in der Druckkammer befindlichen Fluids, vorzugsweise eines Gases, veränderbar und einstellbar ist. Die Druckkammer ist also undurchlässig für das entsprechende Fluid, vorteilhafterweise weist sie jedoch einen Anschluss auf, über den Fluid der Druckkammer zur Erhöhung des Drucks zuführbar ist und/oder Fluid zur Verminderung des Drucks abführbar ist.
Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass das Fluid ein Gas ist. Die gemachten Ausführungen gelten jedoch für andere Fluide entsprechend.
Der erfindungsgemäße einstellbare Hochspannungswiderstand weist außerdem zumindest zwei im Inneren der Druckkammer fest angeordnete Elektroden auf, zwischen denen eine Hochspannung anlegbar ist. Die Elektroden können beispielsweise in eine Gehäusewand der Druckkammer fest eingelassen sein oder in diese eingeschraubt sein. Der Abstand der Elektroden ist im Betrieb des Hochspannungswiderstandes fest, also unveränderlich. Es ist jedoch möglich, dass die Elektroden so gehalten werden, z. B. in der Gehäusewand, dass ihr Abstand voneinander justierbar ist.
Die zumindest zwei Elektroden sind nun so ausgestaltet und so voneinander beabstandet, dass sich bei Anlegen der besagten Hochspannung eine Koronaentladung und/oder eine Funkenentladung zwischen den zumindest zwei Elektroden ausbildet, wenn sich der im Inneren der Druckkammer eingestellte Druck in einem bestimmten Wertebereich befindet. Dieser Wertebereich des Drucks ist dabei so gewählt, dass er zumindest einen Teil jenes Druckbereiches umfasst, welcher im Inneren der Druckkammer einstellbar ist. Die Koronaentladung bzw. Funkenentladung soll sich dabei zwischen den zumindest zwei Elektroden so ausbilden, dass sie den Strom zwischen den zumindest zwei Elektroden verursacht.
Der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand wird also bezüglich des in der Druckkammer einstellbaren Druckes sowie bezüglich der Ausgestaltung und der Beabstandung der zumindest zwei Elektroden voneinander so ausgestaltet, dass sich bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung für bestimmte der einstellbaren Drücke die Koronaentladung bzw. Funkenentladung einstellt und einen Stromfluss verursacht. Erfindungsgemäß ist nun der Druck im Inneren der Druckkammer bei anliegender Spannung veränderbar, und zwar so, dass hierdurch eine Veränderung des Stromes resultiert.
Der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand nutzt aus, dass bei zwei voneinander beabstandeten Elektroden in einem Medium das Entstehen einer Koronaentladung bzw. einer Funkenentladung zwischen diesen Elektroden und auch eine Durchschlagspannung zwischen diesen Elektroden vom Druck des Mediums abhängt. Je höher der Druck ist, desto höher ist die Koronaeinsatzspannung bzw. Funkenentladungseinsatzspannung, ab welcher sich eine Korona oder Funkenentladung ausbildet und desto höher ist auch die Durchschlagspannung. Im Bereich zwischen Koronaeinsatzspannung bzw. Funkenentladung einerseits und Durchschlagspannung andererseits ist außerdem die Stromstärke des durch die Koronaentladung verursachten Stroms im Wesentlichen proportional zum Druck des Mediums. Im folgenden soll immer, wenn von einer Korona oder Koronaentladung die Rede ist, auch eine Funkenentladung umfasst sein.
Liegt also am erfindungsgemäßen einstellbaren Hochspannungswiderstand eine vorgegebene Spannung an, so kann durch Einstellen des Druckes die Stromstärke eingestellt werden, wenn die Druckkammer das Einstellen von Druckwerten zulässt, bei denen sich bei der angelegten Spannung eine Koronaentladung ausbildet.
Bevorzugterweise umfasst der in der Druckkammer einstellbare Wertebereich des Druckes auch Druckwerte, für welche sich keine Koronaentladung zwischen den zumindest zwei Elektroden ausbildet, die einen Strom verursacht. Auf diese Weise kann der Widerstandswert des Hochspannungswiderstands durch Einstellen dieser Drücke auf den Wert im Wesentlichen unendlich gesetzt werden, so dass mittels des erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstandes der Strom bei unveränderter Spannung ein- und ausschaltbar ist, indem der Widerstandswert zwischen endlich und unendlich verändert wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Möglichkeiten der Ausgestaltung und Anordnung der zwei Elektroden zueinander nahezu unbegrenzt ist und davon abhängt, in welchem Wertebereich die Spannungen, der erwünschte maximale Strom und die gewünschte Baugröße liegt und welches Fluid bzw. Gas verwendet wird. Einige vorteilhafte Ausgestaltungen werden weiter unten beschrieben, die jedoch keineswegs als abschließend zu verstehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die zumindest zwei Elektroden so ausgestaltet und voneinander beabstandet, dass, wenn in der Druckkammer Atmosphärendruck vorliegt, bei Anliegen der den Strom bewirkenden Spannung kein durch eine Koronaentladung verursachter Strom fließt. Der Strom fließt hier deshalb nicht, weil sich aufgrund des hohen Druckes keine hinreichende Koronaentladung ausbildet.
In dieser Ausführungsform ist nun der Druck in der Druckkammer so verringerbar, dass bei Anliegen der Spannung ab einem hinreichend geringen Druck ein durch eine Koronaentladung verursachter Strom einsetzt. Elektrodenform und -abstand einerseits und die in der Druckkammer realisierbaren Druckwerte andererseits werden hierbei also so gewählt, dass bei Atmosphärendruck kein Strom fließt, bei verringertem Druck jedoch ein Strom einsetzt.
Ein gegenüber Atmosphärendruck verringerter Druck kann beispielsweise mittels einer Venturi-Düse erzeugt werden. Die Elektrodengeometrie, der Elektrodenabstand sowie vorzugsweise auch das Druckkammervolumen sind dabei in einer solchen Weise an die Applikation angepasst, dass bei Atmosphärendruck die elektrische Leitfähigkeit in der Druckkammer sehr gering ist, während sie sich bei der Erzeugung eines Vakuums bzw. Unterdrucks erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden so ausgestaltet und so voneinander beabstandet, dass, wenn in der Druckkammer Atmosphärendruck vorliegt, bei Anliegen der den Strom bewirkenden Spannung ein durch die Korona verursachter Strom fließt und der Druck in der Druckkammer erhöhbar ist, um dadurch die Stromstärke des fließenden Stroms zu verringern. Bevorzugterweise ist der Druck dabei so weit erhöhbar, dass bei Anliegen der Spannung im Wesentlichen kein durch die Korona verursachter Strom fließt.
Bei Null bar relativ zum Atmosphärendruck ist also hier die elektrische Leitfähigkeit am größten, bei höheren Drücken, je nach Druckluftversorgung beispielsweise bis zu 10 bar plus Atmosphärendruck, wird die elektrische Leitfähigkeit geringer bzw. geht gegen Null.
Erfindungsgemäß können also zum Schalten und Modellieren von DC-Hochspannung bis über 300 kV mit Strömen im Bereich zwischen μA bis mA einfache pneumatische Steuerkomponenten eingesetzt werden, mittels derer der Druck des Mediums im Inneren der Druckkammer veränderbar und einstellbar ist. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Rechtecksignale erzeugen, deren Anstiegszeit im Bereich von deutlich weniger als 100 ms liegen kann.
Die Elektrodengeometrie und der Elektrodenabstand, sowie vorteilhaft auch das Druckkammervolumen können erfindungsgemäß spezifisch an die jeweiligen Arbeitsbereiche, insbesondere Spannungs- und/oder Stromstärke sowie erforderliche Ladungs-Anstiegszeiten angepasst werden. Kleinere Druckkammervolumen ermöglichen kürzere Ladungsanstiegszeiten.
Besonders vorteilhaft kann das Druckkammervolumen größer oder gleich 0.5 cm³, bevorzugt größer oder gleich 1 cm³ und/oder kleiner oder gleich 3 cm³, vorteilhaft kleiner oder gleich 2 cm³, besonders vorteilhaft gleich 1 cm³ sein. Hierdurch kann eine besonders schnelle Druckänderung erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist ein Durchmesser der Druckkammer kleiner oder gleich 4 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 3 mm. Hierdurch können die Reibungsverluste klein gehalten werden.
Erfindungsgemäß können die Elektroden auf unterschiedlichste Weise ausgestaltet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist zumindest eine der zumindest zwei Elektroden einen halbkugelförmigen Bereich auf, mit welchem sie der jeweils anderen der zumindest zwei Elektroden zugewandt ist. Das bedeutet, dass der Abstand der Oberfläche dieser den halbkugelförmigen Bereich aufweisenden Elektrode zur anderen Elektrode gerade in dem halbkugelförmigen Bereich minimal ist. Halbkugelförmige Elektroden begünstigen Funkenentladungen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können beide der zumindest zwei Elektroden einen derartigen halbkugelförmigen Bereich aufweisen, in dem sie jeweils wie beschrieben einander zugewandt sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest eine der zumindest zwei Elektroden als längliche Spitze bzw. Nadel ausgebildet sein, die in Richtung der jeweils anderen Elektrode ausgerichtet ist, was heißt, dass ihr Abstand zur anderen Elektrode gerade an der Nadelspitze minimal ist. Vorteilhaft können beide der zumindest zwei Elektroden als derartige Nadeln ausgestaltet sein, die einander mit ihrer jeweiligen Nadelspitze zugewandt angeordnet sind. Sind beide der zumindest zwei Elektroden nadelförmig, so verlaufen vorzugsweise beide Nadeln mit ihrer Längsrichtung auf einer gemeinsamen Geraden. Nadelförmige Elektroden begünstigen Koronaentladungen, die auf einem großen Spannungsbreich nicht zu einem Durchschlag führen.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, unterschiedliche Elektrodenformen miteinander zu kombinieren. Insbesondere kann eine Elektrode wie vorstehend beschrieben nadelförmig sein und die andere der zumindest zwei Elektroden wie vorstehend beschrieben einen halbkugelförmigen Bereich aufweisen, mit dem sie der nadelförmigen Elektrode zugewandt ist.
Der minimale Abstand zwischen den zumindest zwei Elektroden hängt insbesondere davon ab, bei welchen Spannungen der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand betrieben werden soll, in welchem Bereich die Stromstärken liegen sollen, welches Medium in der Druckkammer eingesetzt werden soll und welche Drücke in der Druckkammer einstellbar sind. Auch auf den gewünschten Abstand zwischen Koronaeinsatzspannung und Durchbruchspannung kann der Elektrodenabstand ausgelegt werden. Beispielsweise liegt der minimale Abstand der zumindest zwei Elektroden zueinander vorteilhaft bei ≤ 30 mm, besonders bevorzugt ≤ 20 mm und/oder ≥ 10 mm, vorzugsweise ≥ 15 mm.
Der Abstand kann vorteilhaft auch so eingestellt werden, dass sich bei Anlegen der Spannung ein elektrisches Feld einer maximalen Feldstärke ≤ 700 kV/m, vorzugsweise ≤ 500 kV/m und/oder ≥ 150 kV/m, vorzugsweise ≥ 250 kV/m einstellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann im Abstand zwischen den zumindest zwei Elektroden zumindest eine Durchschlagsbrücke angeordnet sein. Diese ist mit einem elektrisch leitfähigen Bereich der einen Elektrode zugewandt und mit einem weiteren elektrisch leitfähigen Bereich der anderen der zumindest zwei Elektroden. Insbesondere kann vorteilhaft die Durchschlagsbrücke insgesamt leitfähig sein. Dabei ist die Durchschlagsbrücke zwischen den Elektroden so angeordnet und den Elektroden so zugewandt und von diesen so beabstandet, dass sich die Koronaentladung jeweils zwischen der Durchschlagsbrücke und der jeweiligen Elektrode ausbildet. Sofern die Durchschlagsbrücke nicht komplett aus leitfähigem Material hergestellt ist (was möglich ist), sind die genannten leitfähigen Bereiche elektrisch leitfähig miteinander verbunden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Durchschlagbrücke in ihren den Elektroden zugewandten Bereichen jeweils kegelförmig ausgebildet sein, wobei dann der Abstand der Durchschlagbrücke zur jeweiligen Elektrode gerade an der Spitze dieses Kegels minimal ist.
Der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand kann vorteilhaft für Spannungen ≥ 1 kV, vorzugsweise ≥ 3 kV, vorzugsweise ≥ 10 kV, vorzugsweise ≥ 50 kV und/oder ≤ 400 kV, vorzugsweise ≤ 300 kV, vorzugsweise ≤ 100 kV angelegt sein.
Vorteilhafterweise kann die maximal durch den Hochspannungswiderstand fließende Stromstärke, also der bei minimalem Widerstand fließende Strom ≥ 1 μA, vorzugsweise ≥ 100 μA, besonders bevorzugt ≥ 500 μA und/oder ≤ 500 mA, vorzugsweise ≤ 100 mA, besonders bevorzugt ≤ 10 mA, besonders bevorzugt ≤ 1 mA sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die zwei Elektroden so ausgestaltet sein und so voneinander beabstandet sein, dass die den Strom bewirkende Spannung innerhalb des einstellbaren Wertebereiches für den Druck in der Druckkammer einen Durchschlag zwischen den zwei Elektroden bewirkt. Hierdurch kann der Widerstand auf einen minimalen Wert gesenkt werden. Insbesondere kann bei geeigneter Ausgestaltung und Anordnung der Elektroden der Widerstand zwischen einem im Wesentlichen vollständig ausgeschalteten Zustand und einem vollständig eingeschalteten Zustand, nämlich dem Durchschlagszustand, geschaltet werden, was insbesondere bei Einsatz des Widerstandes als Schalter vorteilhaft ist.
Es bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten, den Druck im Inneren der Druckkammer zu verändern und einzustellen. Insbesondere können die Druckkammer zusammen mit der zum Einstellen und Verändern des Drucks vorgesehenen Vorrichtung ein abgeschlossenes System bilden, aus dem kein Medium mit der Umgebung ausgetauscht wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Medium nicht Luft ist.
Andererseits kann aber auch der Druck im Inneren der Druckkammer durch Austausch des Mediums mit außen einstellbar sein, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn das Medium Luft ist.
Bevorzugterweise weist zur Einstellung und Veränderung des Drucks die Druckkammer zumindest ein Ventil auf, vorzugsweise ein elektrisch ansteuerbares Ventil, insbesondere ein Magnetventil oder ein Piezoproportionalventil. Über das Ventil kann das Innere der Druckkammer mit einer Vorrichtung zum zuführen und/oder Abführen von Medium verbunden sein, beispielsweise einer Pumpe oder einem Kolben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der in der Druckkammer vorliegende Druck gegenüber dem Atmosphärendruck um mehr als 1 bar, vorzugsweise um mehr als 3 bar, besonders bevorzugt um mehr als 4 bar und/oder um weniger als 10 bar, vorzugsweise weniger als 7 bar, besonders bevorzugt um weniger als 5 bar erhöhbar.
Wird zum Schalten der Druck in der Druckkammer verringert, beispielsweise mittels einer Venturi-Düse, so kann der Druckkammer vorteilhaft ein Druck ≤ 1 bar, vorzugsweise ≤ 0,5 bar, besonders bevorzugt 0,3 bar, besonders bevorzugt ≤ 0,2 bar und/oder ≥ 0,1 bar einstellbar sein.
Als Medium im Inneren der Druckkammer können vorteilhaft unterschiedliche Gase eingesetzt werden, beispielsweise Luft, Argon, Xenon oder Schwefelhexafluorid (SF₆). Da sich unterschiedliche Gase durch ihr Ionisierungspotential unterscheiden, also die Austrittsarbeit der zur ionisierenden Elektronen, kann das Gas abhängig vom Einsatz, insbesondere abhängig von der anliegenden Spannung gewählt werden. So ist SF₆ beispielsweise ein Inertgas. Als Gas mit hohem Ionisierungspotential kann beispielsweise Argon eingesetzt werden.
Ist das verwendete Gas nicht Luft, so verbleibt dieses vorzugsweise in einem geschlossenen System aus Druckkammer und Vorrichtung zum Einstellen und Verändern des Druckes. Hier können die Druckänderungen beispielsweise über einen beweglichen Kolben erzeugt werden. Die Gase verbleiben dann in der Vorrichtung und gelangen nicht in die Atmosphäre.
Die gewählte Elektrodengeometrie hat Auswirkungen auf das sich ausbildende elektrische Feld. Insbesondere haben als Nadeln ausgestaltete Elektroden an ihrer Spitze ein stark inhomogenes elektrisches Feld, so dass in der Ausgestaltung der Erfindung mit zwei sich gegenüberliegenden Nadeln ein stark inhomogenes elektrisches Feld erzeugt wird. Hierbei sind die Tonisierungsbedingungen für Luft oder ein anderes eingesetztes Gas in einem weiten Spannungsbereich günstig, d. h. dass sowohl die angelegten Spannungen als auch die Drücke in weiten Bereichen verändert werden können, ohne dass einerseits die Koronaentladung verschwindet oder es andererseits zu einem Durchbruch kommt. Koronaeinsatzspannung und Durchschlagspannung unterscheiden sich hier also relativ stark voneinander.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Spannungsteiler angegeben, der zum einen einen Hochspannungswiderstand aufweist, wie er vorstehend beschrieben wurde und zum anderen einen zu diesem in Serie geschalteten Verbraucher. In diesem Spannungsteiler kann die am Verbraucher abfallende Spannung bei vorgegebener äußerer angelegter Spannung durch Veränderung des Widerstandswertes des Hochspannungswiderstandes verändert werden.
Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand im Bereich elektrostatischer Beschichtung einsetzbar. Hier kann der genannte Verbraucher vorteilhaft eine Driftstrecke einer elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung sein. Es lässt sich dann über den erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand die an der Driftstrecke abfallende Spannung sehr gut einstellen und regulieren.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine elektrostatische Beschichtungsvorrichtung angegeben, die eine Driftstrecke aufweist, entlang derer elektrisch geladene Pulverteilchen mittels eines elektrischen Feldes auf ein Substrat bewegbar sind, sowie zumindest einen mit der Driftstrecke in Reihe geschalteten Hochspannungswiderstand, wie er vorstehend beschrieben wurde. In der konkreten Ausgestaltung der Beschichtungsvorrichtung kann beispielsweise ein elektrostatischer Fluidisierbehälter wie in der DE 10 2004 010 177 B4 beschrieben ausgestaltet sein. Für Transferapplikationen kann die Vorrichtung beispielsweise wie in der EP 1 321 197 dargestellt ausgestaltet sein. Der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand kann aber auch in herkömmlichen elektrostatischen Pulversprühvorrichtungen, elektrostatischen Flüssiglackapplikationsvorrichtungen und Elektrofilterapplikationen wie auch im Bereich der Elektrophotographie und für den elektrostatischen Flockauftrag eingesetzt werden, die alle als elektrostatische Beschichtungsvorrichtung im Sinne der Erfindung verstanden werden können.
Der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand kann außerdem zur elektrostatischen Dosierung und/oder Transport von Schüttgütern eingesetzt werden, wenn hier alternierend geschaltet wird bzw. eine „Wanderwelle” erzeugt wird.
Bei elektrostatischen Beschichtungen wird bei Einsatz des erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstandes eine deutlich verbesserte Schichtdickengleichmäßigkeit, Kantenabdeckung, optische Verlaufsqualität, verminderte Rückionisationsneigung und verbesserte Haftung der uneingebrannten Lackschicht erzielt, da sich die Partikel/Tröpfchen besser aufladen und die Ionenwindgeschwindigkeit reduziert werden kann. Der Oversprayanteil wird wegen der höheren Aufladung des Pulvers verringert (höherer Auftragswirkungsgrad).
Der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand kann auch als Erdschalter, Umschalter (Doppelschalter), Einzelschalter für hohe Spannungen > 3 kV im Bereich elektrostatischer Hochspannungstechnik sowie auch in der Starkstromtechnik zum Einsatz kommen. Bei einem Einsatz als Schalter kann der Widerstand wie vorbeschrieben so ausgestaltet werden, dass Koronaeinsatzspannung und Durchschlagspannung näher beieinander liegen, so dass der Schalter schnell zwischen im Wesentlichen voll ausgeschaltetem Zustand und voll eingeschaltetem Zustand umschaltbar ist.
Da die Abmessungen des Schalters gering sind und der Schalter aus diesem Grund bei elektrostatischen Applikationen nahe am elektrostatischen Sprühaggregat eingesetzt werden kann, sind die tatsächlichen Ladungsabflusszeiten gering, so dass die Technik als Stellgröße für den Regelbetrieb (z. B. stromkonstant oder spannungskonstant) vorteilhaft ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen genannten Merkmale können auch unter den verschiedenen Beispielen kombiniert werden und unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein.
Es zeigt
1 einen erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand mit nadelförmigen Elektroden,
2 einen erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand mit Elektroden, die halbkugelförmige Bereiche aufweisen,
3 den in 1 gezeigten Hochspannungswiderstand in perspektivischer Ansicht,
4 unterschiedliche Kombinationen von Elektroden, wie sie im erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand einsetzbar sind,
5 einen Schaltplan einer elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung, in der der erfindungsgemäße Hochspannungswiderstand eingesetzt wird,
6 eine an einer in 5 gezeigten Messvorrichtung abfallende Teilspannung in Abhängigkeit vom Druck,
7 die in 5 an der Messvorrichtung abfallende Teilspannung in Abhängigkeit von einer angelegten Ausgangsspannung,
8 die an der Messvorrichtung in 5 abfallende Teilspannung in Abhängigkeit von der angelegten Ausgangsspannung für unterschiedliche Drücke und unterschiedlich ausgestaltete Elektroden,
9 an der in 5 gezeigten Messvorrichtung abfallende Teilspannungen für unterschiedliche Abstände der Elektroden voneinander bei sich änderndem Druck in Abhängigkeit von der Zeit und
10 die an der in 5 gezeigten Messvorrichtung abfallende Teilspannung für sich zeitlich ändernde Drücke in der Druckkammer für verschiedene Frequenzen der Druckschwankung.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand in einer Seitenansicht. 3 zeigt den gleichen Hochspannungswiderstand in perspektivischer Ansicht.
Der gezeigte Hochspannungswiderstand weist eine Druckkammer 6 auf, innerhalb derer ein Druck eines innerhalb der Druckkammer befindlichen Fluids veränderbar und einstellbar ist. Die Druckkammer 6 ist gegen den Fluidaustausch mit dem Außenbereich abgeschlossen. In die Druckkammer 6 mündet jedoch eine Zuführung 3 bzw. Abführung 3, über welche Fluid zur Erhöhung eines Drucks in der Druckkammer 6 der Druckkammer 6 zugeführt werden kann, oder über welche Fluid zur Verminderung des Druckes in der Druckkammer 6 aus der Druckkammer 6 abgeführt werden kann. An die Zuführung bzw. Abführung 3 kann beispielsweise eine Pumpe oder ein Kolben angeschlossen sein. Das besagte Fluid kann vorteilhaft Gas sein, beispielsweise Luft, Argon oder Schwefelhexafluorid.
Im Inneren der Druckkammer 6 sind im in 1 und 3 gezeigten Beispiel zwei nadelförmige Elektroden 1 angeordnet, die mit ihren Spitzen aneinander zugewandt sind und in ihrer Längsrichtung auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Die Elektroden 1 werden über optionale Schraubverschlüsse 4 in der Druckkammer 6 in Position gehalten. Über jeweils ein Hochspannungskabel 5 kann eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt werden. Die Schraubverschlüsse 4 können vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass mit ihnen die Elektroden 1 in ihrer Längsrichtung verschiebbar sind, so dass über sie der Abstand der beiden Elektroden 1 voneinander variierbar ist.
Die Druckkammer 6 ist im gezeigten Beispiel als zylinderförmiger Kanal in einem Grundkörper 2 ausgestaltet, der aus zwei aneinander flächig angeordneten Platten zusammengesetzt ist, wie dies in 3 zu erkennen ist.
Der Abstand der beiden Elektroden 1 zueinander wird so eingestellt, dass bei Anliegen der Spannung in einem Wertebereich des in der Druckkammer 6 einstellbaren Drucks eine Koronaentladung zwischen den zwei Elektroden 1 ausbildbar ist. Bei Anliegen einer Spannung 1 zwischen den Elektroden bewirkt diese Koronaentladung dann im geeigneten Druckbereich einen Strom, Durch Veränderung des Drucks im Inneren der Druckkammer 6 über die Zu- bzw. Ableitung 3 kann die Koronaentladung verändert werden und damit der Strom durch den Hochspannungswiderstand.
Im in 1 und 3 gezeigten Beispiel sind die sich gegenüberliegenden Elektroden als spitze Nadeln ausgestaltet. Diese erzeugen ein stark inhomogenes elektrisches Feld, bei dem in einem weiten Spannungsbereich der angelegten Spannung die Ionisierungsbedingungen für Luft oder ein anderes eingesetztes Gas günstig sind.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstandes, deren Aufbau weitgehend mit jenem des in 1 gezeigten Hochspannungswiderstandes übereinstimmt. Der in 2 gezeigte Widerstand unterscheidet sich von jenem in 1 gezeigten dadurch, dass hier die Elektroden 1 nicht als Nadeln ausgestaltet sind, sondern länglich mit zylinderförmigem Umfang, wobei die Elektroden 1 am einander zugewandten Ende halbkugelförmige Bereiche 7 aufweisen, mit denen sie einander gegenüberliegen. Eine solche Ausgestaltung der Elektroden führt zu einem homogeneren Feld als bei nadelförmigen Elektroden 1, wobei der Bereich zwischen einer Koronaeinsatzspannung und einer Durchbruchspannung geringer ist als im Falle nadelförmiger Elektroden. Der Unterschied zwischen den beiden Elektrodenformen wird später mit Bezugnahme auf 8 noch näher dargestellt.
4 zeigt vier Beispiele von Elektrodenpaaren 1, die in jenen in 1 bis 3 gezeigten Hochspannungswiderständen einander gegenüber angeordnet sein können, Das in Teilfigur A gezeigte Elektrodenpaar entspricht jenem in 2 gezeigten. Die Elektroden sind hierbei zylinderförmig ausgestaltet mit einander zugewandten halbkugelförmigen Bereichen.
Teilfigur B zeigt ein Paar als Nadeln ausgestalteter Elektroden 1 und entspricht daher gerade der in 1 und 3 gezeigten Anordnung von Elektroden.
Teilfigur C zeigt eine nadelförmige Elektrode 1, die einer zylinderförmigen Elektrode 1 mit halbkugelförmigem Bereich 7 gegenüber angeordnet ist. Die nadelförmige Elektrode entspricht den vorstehend beschriebenen nadelförmigen Elektroden, und die zylinderförmige Elektrode mit halbkugelförmigem Bereich entspricht der entsprechenden vorstehend beschriebenen zylinderförmigen Elektrode 1.
Teilfigur D zeigt schließlich ein Paar nadelförmiger Elektroden 1, zwischen denen eine Durchschlagsbrücke 8 angeordnet ist, die zwei elektrisch leitende kegelförmige Bereiche 9 aufweist, die jeweils einer der Elektroden 1 mit ihrer Spitze zugewandt sind. Die Kegelachsen der kegelförmigen Bereiche 9 liegen dabei auf einer gemeinsamen Geraden und außerdem mit den Elektroden 1 auf einer gemeinsamen Geraden. Die kegelförmigen Bereiche 9 sind elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Der Abstand zwischen den Spitzen der kegelförmigen Bereiche 1 und der entsprechenden Elektrode wird so gewählt, dass sich die gewünschte Koronaentladung einstellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Durchschlagsbrücke auch andere leitfähige Bereiche 9 als die gezeigten kegelförmigen Bereiche aufweisen kann, beispielsweise halbkugelförmige Bereiche 9.
5 zeigt einen Schaltplan einer beispielhaften Ausgestaltung einer elektrostatischen Deschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dieser Vorrichtung werden auf einer Driftstrecke 15, die zwischen einem Sprühaggregat 10 und einem geerdeten Werkstück 11 ausgebildet ist, Pulverteilchen durch ein elektrisches Feld von dem Sprühaggregat 10 auf das geerdete Werkstück 11 bewegt. Die Driftstrecke 15 ist mit einem erfindungsgemäßen Hochspannungswiderstand 16 in Reihe geschaltet, der beispielsweise wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein kann. Der Hochspannungswiderstand 16 ist über ein Hochspannungskabel 5 an eine Hochspannungsversorgung 7 angeschlossen, die eine Ausgangsspannung U_ges liefert. Die Ausgangsspannung U_ges liegt also zwischen der Hochspannungsversorgung 7 und Erde an. Der Hochspannungswiderstand 16 und die Driftstrecke 15 bilden hier einen Spannungsteiler. Durch Einstellen des Widerstandswertes des Hochspannungswiderstands 16 kann die an der Driftstrecke 15 abfallende Spannung eingestellt werden. über einen zwischen dem Hochspannungswiderstand 16 und dem Sprühaggregat 10 angeordneten Hochspannungsverteiler 9 kann anstelle der Driftstrecke 15 ein frequenzkompensierter Hochspannungstastkopf 12 mit dem Hochspannungswiderstand 16 in Reihe geschaltet werden, der eine Teilspannung U₁ misst, wie sie im Folgenden ausführlicher untersucht wird. Über ein Oszilloskop 13 kann der zeitliche Verlauf der Teilspannung U₁ dargestellt werden.
Über den Hochspannungsverteiler 9 kann anstelle der Driftstrecke 15 oder des Hochspannungstastkopfes 12 auch ein weiterer erfindungsgemäßer Hochspannungswiderstand 17 mit dem Hochspannungswiderstand 16 in Reihe geschaltet werden. Der Hochspannungswiderstand 17 und der Hochspannungswiderstand 16 bilden dann also zusammen ebenfalls einen Spannungsteiler.
Es sei darauf hingewiesen, dass im in 5 gezeigten Beispiel der Hochspannungsverteiler 9 und der über ihn anschließbare Hochspannungstastkopf 12 sowie das Oszilloskop 3 und auch der weitere Hochspannungswiderstand 17 mit den ihm zugeordneten pneumatischen Einrichtungen für das Beispiel nicht wesentlich sind, sondern lediglich der Illustration dienen. Die elektrostatische Beschichtungsvorrichtung würde daher im Normalfall ohne den Messkopf 12 und ohne den weiteren Hochspannungswiderstand 17 realisiert werden, so dass auch der Hochspannungsverteiler 9 nicht notwendig ist. Insbesondere könnten auch die Schaltungen, zwischen denen durch den Hochspannungsverteiler 9 umschaltbar ist, als alleinstehende Schaltung realisiert sein, also die Spannungsversorgung 7 jeweils mit dem ersten Hochspannungswiderstand 16 und nur der Driftstrecke 15, nur Hochspannungstastkopf 12 oder nur dem weiteren Hochspannungswiderstand 17 sowie den diesen Teilschaltungen zugeordneten Elementen.
In 5 ist in der Druckkammer des Hochspannungswiderstands 16 ein Druck veränderbar und einstellbar. Hierzu ist der Innenraum des Hochspannungswiderstandes 16 über eine Zufuhr- bzw. Abfuhrleitung 3 sowie ein Ventil 6, das vorzugsweise ein elektrisch betriebenes Ventil, wie z. B. ein Magnetventil oder ein Piezo-Proportionalventil, sein kann mit einer Pumpe 8 verbunden, über welche Gas aus dem Innenraum des Hochspannungswiderstands 16 abpumpbar ist oder in diesen einpumpbar ist.
Entsprechend ist auch in einer Druckkammer des weiteren Hochspannungswiderstands 17 der Druck durch Gaszu- oder -abfuhr über eine weitere Zu- bzw. Abführleitung 3' und ein weiteres Ventil 6', das ebenfalls ein elektrisch betriebenes Ventil wie z. B. ein Magnetventil sein kann, mit der Pumpe 8 zur Druckveränderung verbunden. Die Pumpe 8 ist im in 5 gezeigten Beispiel für beide Widerstände 17 und 16 dieselbe, es ist aber auch möglich, für jeden Widerstand eine eigene Pumpe vorzusehen.
Gezeigt in 5 ist schließlich noch ein Funktionsgenerator 14, mittels welchem die Ventile 6 und 6' steuerbar sind und insbesondere mit wählbaren Frequenzen öffenbar und schließbar sind.
Ist die in 5 gezeigte Pumpe 8 eine einen Überdruck erzeugende Pumpe, so wird zum Erhöhen des Drucks in den Druckkammern der Hochspannungswiderstände 16 bzw. 17 das entsprechende Ventil 6 bzw. 6' auf einen Durchlass zwischen der Pumpe 8 und dem Widerstand 16 bzw. 17 geschaltet. Zum Abbau des Druckes zurück auf Atmosphärendruck kann das entsprechende Ventil 6 bzw. 6' die Zu- bzw. Abführleitung 3 mit dem Außenraum verbinden, während die Druckluftzufuhr von der Pumpe 8 unterbrochen ist. Ist die Pumpe 8 eine einen Unterdruck erzeugende Pumpe, so gilt entsprechendes, wobei jedoch ein Anschluss der Druckkammer an den Außenbereich zu einer Erhöhung des Innendrucks auf Atmosphärendruck führt.
6 zeigt eine Messung, bei welcher in 5 der frequenzkompensierte Hochspannungstastkopf 12 über den Hochspannungsumschalter 9 mit dem Hochspannungswiderstand 16 in Reihe geschaltet wurde. Die vom Spannungsmesskopf 12 gemessene Spannung ist die Teilspannung U₁, die in 6 auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Auf der horizontalen Achse ist ein Innendruck in der Druckkammer des Hochspannungswiderstands 16 aufgetragen. Die verschiedenen Kurven entsprechen unterschiedlichen angelegten Ausgangsspannungen U_ges, wobei die unterste Kurve der geringsten Ausgangsspannung U_ges = 10 kV und die oberste Kurve der höchsten Ausgangsspannung U_ges = 60 kV entspricht. Für die dazwischenliegenden Kurven wurde die Ausgangsspannung U_ges in Schritten von 2 kV variiert. Alle Spannungsangaben in den Figuren sind in kV.
Es ist zu erkennen, dass, wenn der Druck im Inneren der Druckkammer des Hochspannungswiderstandes 16 zwischen 0 bar relativ zum Atmosphärendruck (der Innendruck ist also gleich dem Atmosphärendruck) und 8 bar höher als der Atmosphärendruck variiert wird, die am Spannungsmesskopf 12 abfallende Teilspannung U₁ monoton fällt. Der Grund hierfür ist, dass durch Erhöhen des Drucks im Hochspannungswiderstand 16 dessen Widerstand ansteigt, so dass ein größerer Anteil der Gesamtspannung U_ges am Hochspannungswiderstand 16 abfällt und dafür der am Spannungsmesskopf 12 abfallende Anteil U₁ geringer wird. Es ist außerdem zu erkennen, dass es bei kleinen Ausgangsspannungen U_ges möglich ist, den Hochspannungswiderstand 16 quasi isolierend zu schalten, so dass die vollständige angelegte Ausgangsspannung U_ges am Widerstand 16 abfällt und die Teilspannung U₁ am Spannungsmesskopf 12 dadurch 0 V wird.
7 zeigt die am Spannungsmesskopf 12 abfallende Teilspannung U₁ in Abhängigkeit von der angelegten Ausgangsspannung U_ges bei unterschiedlichen Drücken. Selbstverständlich steigt die Teilspannung U₁ mit steigender Ausgangsspannung U_ges an. Zu erkennen ist, dass der Anstieg unterschiedliche Steigungen für unterschiedliche Drücke aufweist. Der oberste Graph ist bei Atmosphärendruck aufgenommen und weist die größte Steigung auf. Der unterste Graph ist bei dem höchsten Innendruck des Hochspannungswiderstands 16 von 8 bar relativ zum Atmosphärendruck aufgenommen und weist die geringste Steigung auf. Die Steigung der in 7 gezeigten Kurven wird größer, wenn der Widerstandswert des Hochspannungswiderstandes 16 kleiner wird. In 7 ist daher zu erkennen, dass mit steigendem Druck im Hochspannungswiderstand 16 der Widerstandswert dieses Widerstands 16 ansteigt.
In beiden Diagrammen in 6 und 7 setzt die Koronaentladung bereits unterhalb von 10 kV ein und hält sich bis zu Spannungen bis zu 100 kV. Bei höheren Ausgangsspannungen steigt der Wert des Teilerverhältnisses U₁/U_ges an. Der Wert des Teilerverhältnisses sinkt bei zunehmendem Druck ab. Bei konstanter Ausgangsspannung U_ges kann somit das Teilerverhältnis durch den Druck im Bereich zwischen Koronaeinsatzspannung U_k und Durchschlagspannung U_D stetig verändert werden, wie bei einem Potentiometer. Unterhalb der Koronaeinsatzspannung ist das Spannungsteilerverhältnis gleich Null, da zwischen den beiden Elektrodenspitzen 1 kein Strom stattfindet. Oberhalb der Durchschlagspannung U_D erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenspitzen 1 schlagartig, so dass das Teilerverhältnis gegen 1 geht, also U₁ gleich U_ges ist.
Diese Situation ist in 8 zu erkennen, Die Kurvenschar 81 zeigt die Teilspannung U₁ in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U_ges für nadelförmige Elektroden 1. Die Kurvenschar 82 zeigt diese Abhängigkeit für zylinderförmige Elektroden mit halbkugelförmigen Spitzen. Dabei entsprechen die klein gestrichelten Kurven, die zuoberst verlaufen, Atmosphärendruck, während die dick durchgezogenen Linien, die zuunterst verlaufen, einem um 8 bar höheren Druck als Atmosphärendruck entsprechen. Die zwischen diesen beiden Kurven verlaufenden Kurven entsprechen Zwischendrücken mit Abständen von 2 bar.
Zu erkennen ist, dass im Falle nadelförmiger Elektroden 1 schon bei relativ geringen Spannungen um die 10 kV eine Koronaentladung entsteht. Die Koronaeinsatzspannung U_k liegt also im Bereich von 10 kV. Die Koronaeinsatzspannung U_k ist gerade jene Ausgangsspannung U_ges, bei welcher die Kurven die horizontale Achse treffen. Bis zu diesem Wert ist. der Hochspannungswiderstand 16 in 15 nicht leitend, so dass an ihm die gesamte Ausgangsspannung U_ges abfällt. Die Teilspannung U₁ am Hochspannungstastkopf 12 ist also Null. Öffnet sich der Hochspannungswiderstand 16, so fällt ein Teil der Spannung U₁ am Hochspannungstastkopf 12 ab.
Angefangen bei der Koronaeinsatzspannung steigt mit zunehmender Ausgangsspannung die Teilspannung U₁ an, bis im Hochspannungswiderstand 16 die Durchschlagsspannung U_D erreicht wird, bei welcher der Widerstandswert des Hochspannungswiderstands 16 quasi gleich Null wird, so dass die gesamte angelegte Spannung U_ges am Spannungsmesskopf 12 abfällt. An diesen Punkten 83 steigt daher die Teilspannung U₁ sprungartig auf den Wert der angelegten Ausgangsspannung U_ges an.
Die Kurvenschar 82 zeigt ein analoges Verhalten wie die Kurvenschar 81. Ab einer Koronaeinsatzspannung U_k steigt die Teilspannung U₁ an. Die Teilspannung U₁ steigt linear an, bis die Ausgangsspannung U_ges eine Durchbruchspannung erreicht. Dies ist wiederum an Punkten 83 der Fall. Hier steigt dann die Teilspannung U₁ sprungartig auf die angelegte Ausgangsspannung U_ges ab, da der Widerstandswert des Hochspannungswidertands 16 quasi verschwindet. Bei zylinderförmigen mit halbkugelartigem Bereich verhält sich der Spannungswidertand also wie ein Schalter, der sehr kurze Schaltzeiten erlaubt und bei geschlossenem Schalter (also bei Durchschlag) einen sehr geringen elektrischen Widerstand aufweist.
9 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit als langgestrichelte Linie die Teilspannung U₁ bei einem Abstand der Elektrodenspitzen 1 von 27 mm und als durchgezogene Linie die Teilspannung U₁ bei einem Abstand der Elektrodenspitzen von 17 mm. Darübergelegt ist als kurzgestrichelte Linie der Druck im Inneren der Druckkammer 16 relativ zum Atmosphärendruck in bar.
Zu erkennen ist, dass wenn der Druck ansteigt, die Teilspannung U₁ abfällt und wenn der Druck reduziert wird, die Teilspannung U₁ ansteigt. Haben die Elektrodenspitzen einen Abstand von 17 mm, ist die Teilspannung U₁ stets größer als bei einem Elektrodenabstand von 27 mm. Die Teilspannung 1 steigt also auf höhere Werte einerseits und sinkt andererseits auf weniger tiefe Werte ab, wenn die Elektrodenspitzen nahe beieinander liegen. Bei einem Elektrodenabstand von 17 mm sinkt die Teilspannung U₁ im Vergleich zur Ausgangsspannung nur noch von 100 kV auf 88 kV, also um 12 kV ab.
Die Teilfiguren 10A, 10B und 10C zeigen die Teilspannung U₁ in Abhängigkeit von der Zeit und darübergelegt den Druck in der Druckkammer des Hochspannungswiderstands relativ zum Atmosphärendruck als gestrichelte Linie.
Wie in 9 steigt die Teilspannung U₁, wenn der Druck verringert wird und verringert sich, wenn der Druck ansteigt.
Die Schwankung des Druckes geschieht in Teilfigur A mit 1 Hz, in Teilfigur B mit 2 Hz und in Teilfigur C mit 3 Hz. Die angelegte Ausgangsspannung U_ges beträgt hier 35 kV. Es ist zu erkennen, dass der Schalter auch bei hohen Frequenzen von 3 Hz noch vollständig schaltet, so dass eine gepulste Hochspannung mit hohen Frequenzen möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004010177 B4 [0056]
EP 1321197 [0056]

Claims

Einstellbarer Hochspannungswiderstand mit einer Druckkammer, innerhalb derer ein Druck eines in der Druckkammer befindlichen Fluides veränderbar und einstellbar ist, sowie zumindest zwei im Inneren der Druckkammer angeordneten Elektroden, zwischen denen eine einen zu steuerenden Strom bewirkende Spannung anlegbar ist, wobei die zumindest zwei Elektroden so ausgestaltet sind und so von einander mit im Betrieb festem Abstand beabstandet sind, dass sich bei Anlegen der Spannung in einem Wertebereich des in der Druckkammer einstellbaren Druckes eine Koronaentladung und/oder eine Funkenentladung zwischen den zumindest zwei Elektroden ausbildet, die einen Strom zwischen den zumindest zwei Elektroden verursacht, und wobei der Druck bei angelegter Spannung zur Veränderung des Stromes veränderbar ist.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach dem vorherigen Anspruch, wobei eine Mehrzahl von Elektrodenpaaren mit jeweils zwei der Elektroden im Inneren der Druckkammer angeordnet ist, wobei die Spannung jeweils zwischen den zwei Elektroden der Elektrodenpaare anlegbar ist, und die jeweils zwei Elektroden so ausgestaltet sind und so voneinander beabstandet sind, dass sich bei anlegen der Spannung in einem Wertebereich des in der Druckkammer einstellbaren Druckes eine Koronaentladung zwischen den jeweils zwei Elektroden ausbildet, die einen Strom zwischen den jeweils zwei Elektroden verursacht.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Elektroden so ausgestaltet sind und so voneinander beabstandet sind, dass, wenn in der Druckkammer Atmosphärendruck vorliegt, bei anlegen der den Strom bewirkenden Spannung kein durch eine Koronaentladung oder Funkenentladung verursachter Strom fließt, und der Druck in der Druckkammer so verringerbar ist, dass bei anlegen der Spannung ein durch eine Koronaentladung verursachter Strom fließt.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Elektronen so ausgestaltet und so voneinander beabstandet sind, dass, wenn in der Druckkammer Atmosphärendruck vorliegt, bei anlegen der den Strom bewirkenden Spannung ein durch die Koronaentladung verursachter Strom fließt, und der Druck in der Druckkammer erhöhbar ist, vorzugsweise so weit, dass bei anlegen der den Strom bewirkenden Spannung kein durch die Koronaentladung verursachter Strom fließt.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der zumindest zwei Elektroden, vorzugsweise beide der zumindest zwei Elektroden, einen halbkugelförmigen Bereich aufweist, in dem der Abstand der Oberfläche diese Elektrode zur jeweils anderen der zumindest zwei Elektroden minimal ist.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der zumindest zwei Elektroden, vorzugsweise bei der zumindest zwei Elektroden, als längliche Nadel ausgebildet ist, deren Abstand zur jeweils anderen Elektrode an einer Spitze der Nadel minimal ist.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen den zumindest zwei Elektroden ≤ 30 mm, vorzugsweise ≤ 20 mm und/oder ≥ 10 mm, vorzugsweise ≤ 15 mm, ist und/oder dass der Abstand so eingestellt wird, dass sich bei Anlegen der Spannung ein elektrisches Feld einer maximalen Feldstärke ≤ 700 kV/m, vorzugsweise ≤ 500 kV/m und/oder ≥ 150 kV/m, vorzugsweise ≥ 250 kV/m einstellt.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Abstand zwischen den zumindest zwei Elektroden eine Durchschlagsbrücke angeordnet ist, die mit einem elektrisch leitfähigen Bereich der einen und mit einem weiteren elektrisch leitfähigen Bereich der anderen der zumindest zwei Elektroden so zugewandt ist, dass sich die Koronaentladung jeweils zwischen der Durchschlagsbrücke und der jeweiligen Elektrode ausbildet, wobei die elektrisch leitfähigen Bereiche elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach dem vorherigen Anspruch, wobei der den Elektroden zugewandte Bereich der Durchschlagsbrücke jeweils kegelförmig ausgebildet ist und ein Abstand dieses Bereiches zu jeweiligen Elektrode an der Kegelspitze minimal ist.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die den Strom bewirkende Spannung ≥ 1 kV, vorzugsweise 3 kV, vorzugsweise ≥ 10 kV, vorzugsweise ≥ 50 kV und/oder ≤ 400 kV, vorzugsweise ≤ 300 kV, vorzugsweise ≤ 100 kV, ist und/oder wobei die maximal fließende Stromstärke ≥ 1 μA, vorzugsweise ≥ 100 μA, vorzugsweise ≥ 500 μA und/oder ≤ 500 mA, vorzugsweise ≤ 100 mA, besonders bevorzugt ≤ 10 mA, besonders bevorzugt ≤ 1 mA ist.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Elektroden so ausgestaltet und so voneinander beabstandet sind, dass die den Strom bewirkende Spannung innerhalb des einstellbaren Wertebereiches des Druckes einen Durchschlag zwischen den zumindest zwei Elektroden bewirkt.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hochspannungswiderstand zumindest ein Ventil, vorzugsweise ein elektrisch ansteuerbares Ventil oder ein Magnetventil oder ein Piezoproportional-Ventil aufweist, mit dem ein Fluidstrom in die Druckkammer und/oder aus der Druckkammer steuerbar ist.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Druckkammer ein Druck ≥ Atmosphärendruck + 1 bar, vorzugsweise ≥ Atmosphärendruck + 3 bar, vorzugsweise ≥ Atmosphärendruck + 4 bar und/oder Atmosphärendruck + 10 bar, vorzugsweise ≤ Atmosphärendruck + 7 bar, vorzugsweise ≤ Atmosphärendruck + 5 bar, einstellbar ist und/oder wobei in der Druckkammer ein Druck ≤ 1 bar, vorzugsweise ≤ 0,5 bar, besonders bevorzugt ≤ 0,3 bar, besonders bevorzugt ≤ 0,2 bar und/oder ≥ 0,1 bar einstellbar ist.
Einstellbarer Hochspannungswiderstand nach einem dem vorherigen Ansprüche, wobei das Fluid Luft, Argon, Xenon und/oder Schwefelhexafluorid enthält oder daraus besteht.
Spannungsteiler aufweisend zumindest einen Verbraucher sowie zumindest einen einstellbaren Hochspannungswiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit dem Verbrauch in Serie geschaltet ist.
Spannungsteiler nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Verbraucher eine Driftstrecke einer elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung umfasst oder ist.
Elektrostatische Beschichtungsvorrichtung mit einer Driftstrecke entlang derer elektrisch geladenen Teilchen mittels eines elektrischen Feldes auf ein Substrat bewegbar sind, sowie zumindest einem mit der Driftstrecke in Reihe geschalteten Hochspannungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren zum Steuern eines Stromes, wobei zwischen zumindest zwei Elektroden eines einstellbaren Hochspannungswiderstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 14 eine Spannung angelegt wird, und wobei der Strom, der zwischen den zumindest zwei Elektroden fließt, dadurch gesteuert wird, dass der Druck in der Druckkammer eingestellt und/oder verändert wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Druck zwischen zumindest zwei Werten umgestaltet wird, vorzugsweise mit einer Frequenz 1 Hz, vorzugsweise ≥ 2 Hz und/oder ≤ 6 Hz, bevorzugt ≤ 5 Hz, besonders bevorzugt ≤ 4 Hz, besonders bevorzugt ≤ 3 Hz.
Verwendung eines einstellbaren Hochspannungswiderstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Erdschalter, Umschalter, Doppelschalter, Einzelschalter für hohe Spannungen ≥ 3 kV, im Bereich der elektrostatischen Hochspannungstechnik und/oder der Starkstromtechnik und/oder in der gepulsten Hochspannungstechnik, in einer Pulverapplikation, einem elektrostatischen Fluidisierbehälter, in elektrostatischem Pulversprühen, elektrostatischer Flüssiglackapplikation, Elektrofilterapplikation, Elektrofotografie und/oder elektrostatischem Flockauftrag, und/oder zur elektrostatischen Dosierung und/oder zum Transport von Schüttgütern.