DE1963248A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhoehung der Beladungsdichte von Isolatoren - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erhoehung der Beladungsdichte von IsolatorenInfo
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Description
L· -ϋ^Λ^ϋ 42l£ _ PP-Dr.Kn-df 15. December I965
Beschreibung
zur AnraelctunL von
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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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
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 ).
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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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.
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 |
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 | ||
9« | 5 | 0.285 | ||
10 | 5. | 0Λ | ||
10, | 5. | 0.575 | ||
.5 | ||||
.3 | ||||
,8 |
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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K 1925/Gbm 4211 FP-Dr.Kn-df 15.12.69
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)
- K 1925/Gbm 4211 - PP-Dr.Kn-df 15.12.69 VtPatentansprüche1. 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 leitende109831 /1827BAD GffiGINALK ip25/(*bitt 4211 PP-Dr.Kn-df 15-12.69'3Schicht, 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 109831/1827K 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.109 831/1827BAD ORiGiNALK 1925/übm ^2I 1 FP-Dr.Kn-df 15.12.6912. 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 ORKäiwALLeerseite
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