DE1963248A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhoehung der Beladungsdichte von Isolatoren - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erhoehung der Beladungsdichte von Isolatoren

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DE1963248A1 DE19691963248 DE1963248A DE1963248A1 DE 1963248 A1 DE1963248 A1 DE 1963248A1 DE 19691963248 DE19691963248 DE 19691963248 DE 1963248 A DE1963248 A DE 1963248A DE 1963248 A1 DE1963248 A1 DE 1963248A1
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Description

-ϋ^Λ^ϋ 42l£ _ PP-Dr.Kn-df 15. December I965
Beschreibung
zur AnraelctunL von
KALLE A
Wiosbaden-Eiebrich
für ein Patent auf
Verfahren und Vorrichtung aur Erhöhung der Beladungsüichte von Isolatoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Beladungsdichte bei der elektrostatischen Aufladung der Oberfläche von elektrisch nicht leitendem Material, insbesondere von Kunststoffen sowie eine Vorrichtung zur Durch· führuno des Verfahrens.
Daß sich elektrisch nicht leitende Materialien, beispielsweise KunstStoffbahnenj z.b. beim Führen über Walzen elektrostatisch aufladen t ist seit langem bekannt. Es gehört weiterhin zum Stand der Technik, die Oberfläche von Kunststoffbahnen mit Hilfe von Ladungsträgern aufzuladen. So ist beispielsweise aus der US-PS 3.068.528 ein Verfahren zum Strecken oder Transportieren von organischen therao-
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K 1925/Gbm ^2I 1 PP-Dr.Kn-df 15.12.69
plastischem Material bekannt, boi deir. neben anderen Vorrichtungsteilen die Bahn auf einer geerdeten Unterlage geführt wird und wobei über der Bahn eine mit einem Spannuncserzeuger verbundene Elektrode, beispielsweise in Porin eines gespannten Drahtes, angeordnet ist. Infolge des inhomogenen elektrischen Feldes in der Nähe der stark gekrümmten Llektrode in Form eines gespannten Drahtes , entstehen durcii Ionisation des Luftraumes Ladungsträger, die die der Elektrode zugekehrte Seite der Folienoberfläche elektrisch aufladen, wodurch eine Anlecun^' an die Geerdete Unterlage, beispielsweise an Walzen, erfolgt. Durch eine solche behandlung soll der Schlupf zwischen der bewegten Unterlage und der zu streckenden Folie verhindert werden, um u.a. die durch den Schlupf entstehenden Beschädigungen der bahn auf der geführten Seite au vermeiden.
Die genannten Verfahren arbeiten in manchen Fällen durchaus aufriedenstellend. Sie besitzen jedoch den Nachteil, daß die erzeugten Ladungsträger außer zur Oberfläche der Bahn auch in den die Elektrode umgebenden Raum wandern. Ea ist somit erforderlich, um eine bestimmte Ladungsdichte auf der Oberfläche des !isolators au erzeugen, eine wesentlich gröseere Anzahl von Ladungsträgern zu produzieren als notwendig
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BAD ORIGINAL
K_1925/GbniJ|2l£ PP-Dr. Kn-df 15.12.69
wäre, wenn alle Ladungsträger auf die Oberfläche wandern würtien. Das bekannte Verfahren ist somit nur in der Lage, eine be^renste Aufladung; der Oberfläche zu erzielen, da bei Erhöhung der Spannung zum Zweck der Vermehrung von Ladungsträgern die Gefahr des elektrischen Durchschlage und daait eine Beschädigung: der Polienoberfläche erfolgen wurde.
Es stellte sich aomit die Aufgabe, unter Vermeidung der genannten Nachteile, einen net., zu finden, ura die Ladungsdichte bei der elektrostatischen Aufladung von elektrisch nicht leitenden Materialien zu erhöhen.
Gelöst wird die vorstehend genannte Aufgabe durch ein Verfahren, wobei man mittels Gleichspannung in dem über der übsrfli.clie des Materials liegenden Gasraura Ladungsträger erzeugt, mit deren Hilfe die Oberfläche elektrostatisch aufgeladen wird und das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zur Erzielung einer Eichtwirkung auf die Wanderung der Ladungsträger zur Oberfläche des Materials hin oberhalb der die Ladungsträger erzeugenden Quelle ein elektrisches Feld mit gleicher Polarität aufbaut. Unter Gleichspannung sollen
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im folgenden auch solche Spannungen verstanden werden, die noch einen gevfissen Betrag an Restwelligkeit enthalten. Durch die mit den Ladungsträgern gleichsinnige Polarität werden die erzeugten Ladungsträger Gehindert, in den die Elektrode umgebenden Raum zu wandern, vielmehr werden sie nahezu vollständig in Richtung zur Oberfläche des Materials hin geleitet.
Durch das erfindungSLieniäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, daß wesentlich weniger Ladungsträger erzeugt werden müssen, um eine mit den früheren Verfahren vergleichbare Ladungsdichte auf der Oberfläche des Materials zu erhalten, bzw. kann eine erheblich höhere Aufladung der Oberfläche bei gleicher spannung an der Elektrode erzielt werden.
In besonderer Ausführung des Verfahrens wird zusätzlich die die Ladungsträger erzeugende Quelle beheizt. Hierdurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß man mit einer Spannung in. Bereich von 200 V bis 5 KV, bevorzugt im Bereich von 500 bis 1000 V, arbeiten kann, wodurch erhebliche Probleme bei der Isolierung der Elektrode entfallen, ohne daß die Anzahl der erzeugten Ladungsträger reduziert wird. Wird ' die die Ladungsträger erzeugende Quelle, beispielsweise in Form eines gespannten dünnen Drahtes, nicht beheizt, wird
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mit einer Gleichspannung von 2 bis 30 KV, bevorzugt im Bereich zwischen 10 und 15 KV, gearbeitet. Entsprechend der Polarität der die Ladungsträger erzeugenden Elektrode wird oberhalb dieser Quelle ein elektrisches Feld mit gleicher Polarität aufgebaut. Die dieses elektrische Feld erzeugende Quelle wird in folgenden al3 Steuerelektrode bezeichnet. Die maximale Beladungsdichte, die ohne die Folie zu schädigen auf der Oberfläche des Materials erzeugt werden kann, ist nach der Formel
D ,t .c.E I —- · M'Aseo/om2
max c ο * V cm cm
zu berechnen, wobei
<£ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums c- dio relative Dielektrizitätskonstante des Materials t die Durchbruch3feld3tärke des Materials,
die nicht nur von der Art, sondern auch von der Katerialstärkc abhängt, bedeuten.
Je nach Material sind die Werte von „6 und E sowie bei der Verwendung von Gasen anstelle von Vakuum auch die für verschieden. £ für Vakuum und für Luft sind als nahezu gleich anzusehen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie besteht aus einer geerdeten Unterlage,
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auf der das nicht leitende Material aufliegt und einer über dem Material angeordneten Elektrode, die über einen Spannungserzeugsr mit Gleichspannung versorgt wird. Die Polarität kann dabei sowohl positiv als auch negativ sein. Ober der Elektrode, die die Ladungsträger erzeugt, ist die Steuerelektrode angeordnet, die aus einer mit einem Spannungaerzeuger gleicher Polarität verbundenen elektrisch leitenden Schicht, die gegenüber den übrigen Vorrichtung3teilen isoliert ist, besteht.
Die elektrisch leitende Schicht besteht aus einen oder mehreren mit dem Spannungserzeuger verbundenen Drähten und/ oder Metallbändern. Auch sind auf einem isolierten Trägermaterial aufgedampfte und/oder aufkaschierte Schichten, beispielsweise aus Metall, gebräuchlich. In besonderer Ausführung besitzt die Steuerelektrode eine Formgebung entsprechend einer eventuell vorgegebenen Form der die Ladungsträger erzeugenden Elektrode.
In bevorzugter Ausführung wird, um den Strorafluß messen und eine Regulierung an der Steuerelektrode vornehmen zu können, zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Spannungserzeuger ein Meßinstrument zwischengeschaltet. Auf diese Weise kann sehr leicht festgestellt werden, ob und in welchem
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Maße bei einer elektrostatischen Beladung Ladungsträger von der Elektrode zur Steuerelektrode abfließen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung wird anstelle des mit der Steuerelektrode verbundenen Hoch3pannungserzeugers ein hoehohmiuer Widerstand zwischen Steuerelektrode und Bezugspotential geschaltet. Es stellt sich dann infolge f der über den Widerstand abfließenden und der von der Sprühelektrode zufließenden Ladungsträger ein Gleichgewichtspotential der Steuerelektrodenspannung ein, dergestalt, daß
die opannunjshöho der Steuerelektrode sich so einstellt, daß nur so viele Ladungsträger abfließen, wie auch auf die
steuerelektrode auftreffen. Der einzuschaltende Widerstand liett in Bereich zwischen 20 bis eo Meg Ohm (H £1 ).
Zur Messung des Stromflusses wird in bevorzugter Ausführung g zwischen den Widerstand und das Bezugspotential ein Meßinstrument geschaltet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein veränderlicher Widerstand vorgesehen, um eine schnelle Regulierraöglichkeit, beispielsweise bei der Änderung der Elektrodenspannung, vornehmen zu können. Wenn auch der Abstand zwischen Steuerelektrode und Elektrode in gewissen
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K 1925/Gbm ^2I1 ρ FP-Dr.Kn~df 15.12.69 Jf
Dereichen ebenso wie der Abstand zwischen Elektrode und Materialoberfläche variabel sein kann, so hat ea eich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand zwischen Steuerelektrode und Elektrode etwa gleich dem zwischen Elektrode und Oberfläche des Materials gehalten wird. Die Abstände liegen je nach Dicke des Materials, der Fahrgeschwindigkeit des Materials sowie der Anzahl der erzeugten Ladungsträser im Bereich zwischen 0.1 bis 15 cm, bevorzugt zwischen 1 und 5 cm.
Beispiel 1
über eine geerdete Walze wurde in Abstand von 10 ram ein 0.3 mm dünner Stahldraht zwischen elektrisch isolierten Halterungen eingespannt. An den Draht wurden Spannungen verschiedener Höhe angelegt und dabei folgende Stromwerte geiaessen:
υ ι
KV
J 1
ηΛ
9 C. >k
9.5 0.54
10 0.690
10.5 0.90
Beispiel 2
Es wurde mit der gleichen Anordnung wie nach Beispiel 1 ge-
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arbeitet, jedoch wurde 15 mm über diesem gespannten Draht eine gebogene ca. 2 cm breite längsgestreckte Steuerelektrode isoliert angebracht. Diese Steuerelektrode wurde mit einem Spannungsmesser elektrisch verbunden und hatte einen Widerstand zur Erde in der Größe von einigen 100 Meg Ohm. Durch Anlegen verschiedener Spannungen an den Draht wurden folgende Werte gemessen, wobei U 1 die Spannung am Draht, U 2 die Span-* λ nung an der Steuerelektrode und J 1 den aus dem Draht austretenden Strom darstellt. Der Strom ist hier bei gleicher Spannung deutlich niedriger als in Beispiel 1.
ü 1
KV
,5 U 2
KV
J 1
mA
9 4, 0.1115
5 0.285
10 5.
10, 5. 0.575
.5
.3
,8
Beispiel g
Es wurde mit der Anordnung nach Beispiel 2 gearbeitet, jedoch wurde an die Steuerelektrode eine zusätzliche Spannung unterschiedlicher Höhe angelegt. Die Stromwerte variieren zwischen Beispiel 1 und Beispiel 2 je nach eingestellter Spannungehöhe der Steuerelektrode. Es wurden die nachfolgenden Werte gemessen:
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ü 1
KV
U
κ\
2 J 1
HlA
9 4. 5 0.16
9.5 4. 5 0.325
10 4. 5 0.5
10.5 ή. 5 0.675
9 5 0.15
9.5 5 0.30
10 5 0.45
10.5 5 0.65
Die Haftreibungskräfte von auf der Walze transportierten Kunststoffbahnen waren nach Beispiel 2 und 3 bei vergleichbarem Strom jeweils um ca. 2OJi höher als beirr. Arbeiten nach Beispiel 1.
In der folgenden Abbildung ist eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung in perspektiviacher Sicht dargestellt, wobei jedoch keine Einschränkung auf die gezeigte Ausführungsform besteht.
Die Abbildung zei^t einen Bahnabschnitt 1 eines nicht leitenden elektrischen Materials, das auf einer geerdeten Walze 2 geführt wird, über der Bahn liegt die isolierte, gebogene Steuerelektrode 3, die über ein Instrument 4 zur Kessung des Stromflusses mit einen Spannungserzeuger 5> der vom Netz N her gespeist wird, verbunden ist. Zwischen der Bahn 1 und
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K 192D/Gbm Ί21Χ - PP-Dr.Kn-df 15.12.69
und der Steuerelektrode 3 befindet sich die Ladungsträger erzeugende, elektrisch isoliert aufgehängte Elektrode 6, hier voi.i Netz N her über dera Spannungserzeuger 7 gespeist. Bei dieser Vorrichtung wird die Elektrode 6 gleichzeitig über die Verbindungsdrähte 8 und 8f von dem Heizaggregat 9 beheizt. Es iut leicht ersichtlich, daß die Vorrichtung: vielerlei Variationsiaüklichkeiten besitzt. Im Falle der Verwendung eines hochohraigen Widerstandes als Ableitwiderstand wird der Kochspannuneserzeuger 5 durch einen entsprechenden, gegebenenfalls variablen, Widerstand ersetzt.
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Claims (1)

  1. K 1925/Gbm 4211 - PP-Dr.Kn-df 15.12.69 Vt
    Patentansprüche
    1. Verfahren zur Erhöhung der Ladungsdichte auf der Oberfläche eines elektrisch nicht leitenden Materials, wobei man mittels Gleichspannung in dem über der Oberfläche des Materials liegenden Gasraum Ladungsträger erzeugt, wodurch die Oberfläche elektrostatisch aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzielung einer Richtwirkung auf die Wanderung der Ladungsträger zur Oberfläche des Materials hin oberhalb der die Ladungsträger erzeugenden wuelle ein elektrisches Feld mit gleicher Polarität aufbaut.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet 3 daß nan zusätzlich die die Ladungsträger erzeugende Quelle beheizt.
    3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bestehend aus einer geerdeten Unterlage, auf der das elektrisch nicht leitende Material aufliegt und einer über dem Material angeordneten mit Gleichspannung betriebenen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Elektrode eine mit einem Spannungserzeuger verbundene elektrisch leitende
    109831 /1827
    BAD GffiGINAL
    K ip25/(*bitt 4211 PP-Dr.Kn-df 15-12.69
    '3
    Schicht, die gegenüber den übrigen Vorrichtungsteilen isoliert ist, angeordnet ist.
    k. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht mit einem Spannungserzeuger zur Erzeugung einer Gleichspannung zwischen 2 und 30 KV4 * bevorzugt zwischen 10 und 15 KV1 in Falle der beheizten Llektrode zwischen 200 V und 5 KV, bevorzugt zwischen 500 una 1000 V, verbunden ist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht aus einem oder mehreren Drähten und/oder Metallbändern besteht.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 1J, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht au3 einer oder mehreren, auf eineiu isolierenden. Trägermaterial aufgedampften und/oder aufkaschierten elektrisch leitenden Schicht, beispielsweise Metall, besteht.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spannungserzeuger und leitender Schicht ein Instrument zur Messung des Stromflusses geschaltet ist.
    BAD 109831/1827
    K 1925/Gbn ^2I1 FP-Dr.Kn-df 15.12.69 i*
    8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bestehend aus einer geerdeten Unterlage, auf der das elektrisch nicht leitende Material auflieft und einer über den· Material anceordneten mit Gleichspannung betriebenen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Elektrode eine leitfcihige Schicht durch einen hochohi.r.ioen Widerstand, der mit dem Besugspotential in Verbindung steht, anceordnet ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der,·, Bezugspotential in Verbindung stehender hochohniger Widerstand von 20 bisoo HSl angeordnet ist.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 95 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Widerstand und Bezugspotential ein Instrument zur Messung des Stromflusses geschaltet ist.
    11. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung; nach einen der Ansprüche 1 bis 9 zur Verbesserung der Haftung zwischen geerdeter Unterlage und elektrisch nicht leitendem Material.
    109 831/1827
    BAD ORiGiNAL
    K 1925/übm ^2I 1 FP-Dr.Kn-df 15.12.69
    12. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach Anepruch 11 zum Führen und Transportieren von Kunststoff-Folien.
    13. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 zum Strecken von Kunststoff-Folien .
    10 9 8 3 1/18 2 7 bad ORKäiwAL
    Leerseite
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