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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beseitigung einer elektrostatischen
Ladungsdoppelschicht von einem geförderten flächigen, elektrisch im wesentlichen
isolierenden Material. Unter einem flächigen Material sollen sowohl
eine quasiendlose Materialbahn als auch vereinzelte Bögen verstanden werden,
und als im wesentlichen isolierende Materialien sind solche zu verstehen,
die mindestens über den
größeren Bereich
ihrer Oberfläche
als Isolator wirken, etwa Druck- oder Verpackungspapiere, Kunststofffolien,
folienkaschierte Papiere, kunststoff-kaschierte Metallfolien oder
dergleichen.
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Ladungsdoppelschichten
sind in verschiedenen Industriezweigen, die insbesondere isolierende Materialien
mit hohen Geschwindigkeiten handhaben bzw. verarbeiten, als elektrostatische
Aufladungserscheinungen bekannt und gefürchtet. Man versteht darunter
eine elektrostatische Aufladung der einen Seite eines isolierenden
Materials, kombiniert mit einer gegenpoligen elektrostatischen Aufladung
der gegenüberliegenden
Seite. Ladungsdoppelschichten treten häufig an hochisolierenden, dünnen und schnelllaufenden
Materialbahnen oder -bögen
auf und führen
häufig
zu schwerwiegenden und kostspieligen Prozessstörungen. Sie können sogar
Zerstörungen
des Materials durch Funkenentladung durch dieses hindurch zur Folge
haben.
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Zur
Beseitigung elektrostatischer Aufladungen von geförderten
Materialien der oben erwähnten Art
sind kontaktlos arbeitende Entladeelektroden bekannt und kommerziell
verfügbar
und haben sich in vielen Anwendungssituationen bewährt; vgl.
dazu unter www.eltex.de „FAQs
für Entladung/Aufladung".
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Diese
bekannten Entladesysteme/-elektroden nutzen das von dem aufgeladenen
Material zur (neutralen) Erde ausgehende elektrische Feld zum Ladungsausgleich,
indem sie Gasionen und freie Elektronen in das elektrische Feld
zuführen.
Diese werden aufgrund der Kraftwirkung des elektrischen Feldes zu
gegenpoligen Ladungen auf dem aufgeladenen Material hin angezogen
und bewirken dort eine Neutralisierung (Kompensation) der Aufladung. Ihre
Effizienz ist besonders hoch bei hohen Feldstärken. Da bei gleich bleibender
Ladungsmenge Q in einem Aufladungsbereich die elektrische Feldstärke E gemäß der Beziehung
E ~ Q/C mit abnehmender Kapazität
zunimmt, werden die bekannten Entladeeinrichtungen gezielt in Bereichen
geringer Kapazität der
Anordnung, also beispielsweise möglichst
weit entfernt von Leitwalzen, positioniert.
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Die
bekannten Entladesysteme versagen jedoch weitgehend bei der Beseitigung
von Ladungsdoppelschichten. Dies ist zu wesentlichen Teilen auf den
Umstand zurückzuführen, dass
von Ladungsdoppelschichten kein elektrisches Fernfeld ausgeht, obgleich
in ihnen große
Ladungsmengen gespeichert sein können.
Das von auf der einen Materialseite befindlichen positiven Ladungen
ausgehende elektrostatische Feld wird nämlich durch das von den negativen
Ladungen auf der anderen Materialseite ausgehende Feld mit negativem
Vorzeichen überlagert.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle und
kontaktlos arbeitende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 anzugeben, die insbesondere in Anordnungen zum schnellen Transport
und zur schnellen Verarbeitung von Materialien der o.g. Art eingesetzt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Zweckmäßige Fortbildungen
des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung baut auf der Feststellung auf, dass Materialien, die Ladungsdoppelschichten
tragen, bei einseitigem Kontakt mit einer elektrisch leitfähigen und
geerdeten bzw. auf Masse liegenden Oberfläche ein von der dieser Oberseite
abgewandten Seite ausgehendes, messbares elektrisches Feld (nachfolgend
auch als Nahfeld bezeichnet) aufweisen. Die Erfindung schließt den wesentlichen
Gedanken ein, dieses Feld zu einer mindestens teilweisen Neutralisierung
bzw. Kompensation der Ladungsdoppelschicht zu nutzen, indem in den
betreffenden Bereich (erster Bereich, Neutralisierungsbereich) des flächigen Materials
Ladungsträger
geeigneter Polarität
zugeführt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird das besagte Nahfeld in einem Messschritt in einem
zweiten Bereich (Messbereich) des flächigen Materials gemessen und
zur Steuerung oder Regelung eines Kompensationsschrittes benutzt,
durch welchen dem flächigen
Material in dem ersten Bereich (Neutralisierungsbereich) elektrische
Ladungen (positive oder negative) zur Kompensation von auf dem flächigen Material
vorhandenen Ladungen zugeführt
werden.
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Eine
Vorrichtung gemäß dieser
Ausführung zeichnet
sich aus durch ein dem flächigen
Material in dem zweiten Bereich (Messbereich) benachbartes leitfähiges Element
zur Ausbildung eines elektrischen Nahfeldes und eine dem zweiten
Bereich zugeordnete Feldstärkemesseinrichtung
zur Erfassung der Feldstärke
des Nahfeldes. Hierbei ist eine Kompensationseinrichtung eingangsseitig
mit der Feldstärkemesseinrichtung
verbunden und zur gesteuerten Zuführung von Ladungsträgern in
den ersten Bereich (Neutralisierungsbereich) des flächigen Materials
in Reaktion auf das Erfassungsergebnis ausgebildet.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite
Bereich (Messbereich) in Förderrichtung
des flächigen
Materials stromabwärts des
ersten Bereiches angeordnet, derart, dass die Steuerung der Zuführung der
Ladungsträger
als Regelung wirkt. Die Messung des elektrischen Nahfeldes erfolgt
hierbei nach dem Kompensationsschritt. Es handelt sich somit um
eine Regelung.
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Alternativ
kann der zweite Bereich (Messbereich) entgegen der Förderrichtung
des flächigen
Materials stromaufwärts
des ersten Bereiches (Neutralisierungsbereich) angeordnet sein,
so dass die Messung des Nahfeldes der Doppelladungsschicht vor dem
Kompensationsschritt erfolgt. Es handelt sich um eine gesteuerte
Kompensation.
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Die
Steuerung bzw. Regelung zeichnen sich insbesondere dadurch aus,
dass die Kompensationseinrichtung dazu ausgebildet ist, in Reaktion
auf das Erfassungsergebnis der Feldstärkemesseinrichtung selektiv
positive oder negative Ladungsträger zuzuführen und
wahlweise deren Menge geeignet einzustellen.
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Die
vorgeschlagene Lösung
ermöglicht
es, auch aufladungs-kritische Materialien, wie etwa Kunststofffolien
oder Papierbahnen, problemlos in schnelllaufenden Anlagen zu fördern und
zu verarbeiten.
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Eine
bei herkömmlichen
Produktionsanlagen bevorzugte Ausführung sieht vor, dass das erste und/oder
zweite leitfähige
Element als leitfähige Oberfläche eines
die Materialbahn kontaktierenden Antriebs- und/oder Führungselementes
einer Fördereinrichtung
ausgebildet ist. Speziell ist hierbei vorgesehen, dass das erste
und/oder zweite leitfähige (speziell
geerdete) Element als Oberfläche
einer Umlenkwalze ausgebildet ist.
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Die
Kompensationseinrichtung selbst weist bevorzugt eine mit einer Hochspannungsquelle
verbundene Aufladeelektrode auf, die bezüglich des flächigen Materials
dem ersten leitfähigen
Element gegenüberliegt
und Gasionen und frei Elektronen dem Material zuführt.
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Verbleibende
unipolare Aufladungen (quasi die nicht-kompensierte Schichtebene
der Ladungsdoppelschicht oder Teile hiervon) können durch eine der erwähnten Kompensationseinrichtung
in Material-Laufrichtung folgende konventionelle Entladeeinrichtungen
in an sich bekannter Weise beseitigt werden. Eine solche Entladeeinrichtung
umfasst dann mindestens eine als solche bekannte Entladeelektrode,
wie sie u.a. von der Anmelderin erhältlich ist.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich im übrigen
aus den abhängigen Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung
und
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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3 eine
der 1 ähnliche
weitere Ausführungsform
der Erfindung,
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4 eine
der 2 ähnliche
weitere Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
als Prinzipskizze eine Kompensationsvorrichtung 10 zur
Kompensation von Doppelladungen auf einer in eine Laufrichtung 12 schnell
geförderten
Materialbahn 11. Die Materialbahn wird bei diesem Ausführungsbeispiel über eine
erste und zweite Umlenkwalze 13, 14 Z-förmig umgelenkt.
Die Umlenkwalzen 13, 14 haben eine gut leitfähige Oberfläche, die über eine
niederohmige Verbindung geerdet ist.
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An
der ersten Umlenkwalze 13 bildet sich aufgrund einer auf
dem isolierenden Material 11 ausgebildeten elektrostatischen
Doppelschicht ein elektrisches Nahfeld aus, welches durch eine Feldstärke-Messeinrichtung 15 erfasst
wird. Der Messeinrichtung 15 ist ein Messverstärker 16 nachgeschaltet, dessen
Ausgang mit einem Eingang einer Steuereinrichtung 17 verbunden
ist. Die Steuereinrichtung 17 gewinnt aus dem aufbereiteten
Feldstärke-Messsignal
eine Stellgröße, die
einem Steuereingang eines Hochspannungsnetzgerätes 18 zugeführt wird.
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Die
von diesem erzeugte, in Abhängigkeit vom
Feldstärke-Messsignal
gesteuerte Hochspannung wird einer Aufladeelektrode 19 zugeführt, die, bezogen
auf die Materialbahn 11, gegenüber der zweiten Umlenkwalze 14 angeordnet
ist. Das zwischen der Aufladeelektrode 19 und der zweiten
Umlenkwalze 14 ausgebildete elektrische Feld ionisiert Gasmoleküle der Atmosphäre und erzeugt
und beschleunigt (in Abhängigkeit
von Polarität
und Betrag der bereitgestellten Hochspannung) Ladungsträger auf
die Materialbahn 11 hin, die eine zumindest weitgehende
Kompensation der dort vorliegenden Ladungsdoppelschicht bewirken.
Etwa verbleibende Restladungen auf der Materialbahn werden bei diesem
Beispiel, das eine gesteuerte Kompensation der Ladungsdoppelschicht
beschreibt, toleriert.
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In 2 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel eine
weitere Kompensationsvorrichtung 20 in einer 1 ähnlichen
Darstellung gezeigt. Funktionsgleiche bzw. – ähnliche Komponenten sind mit
an 1 angelehnten Bezugsziffern bezeichnet.
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Eine
isolierende Materialbahn 21 hat hier über zwei geerdete Umlenkwalzen 23, 24 in
einer Laufrichtung 22 einen U-förmigen Abschnitt eines Laufweges.
Bei dieser Ausführung
ist gegenüber
der zweiten leitfähigen
Umlenkwalze 24 eine Feldstärke-Messeinrichtung 25 angeordnet,
deren Messsignal in eine Aufbereitungs- und Regeleinrichtung 26 eingespeist
wird, an deren Ausgang eine Stellgröße für ein steuerbares Hochspannungsnetzgerät 28 bereitgestellt
wird. Dieses Netzgerät 28 ist
mit einer in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform wirkenden
Aufladeelektrode 29 gegenüber der ersten leitfähigen Umlenkwalze 23 verbunden.
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Bei
der vorliegenden Ausführung
wir durch den Regelkreis die der Materialbahn 21 über die
Auflade- bzw. Kompensationselektrode 29 zugeführte Ladung
so eingestellt, dass die von der Feldstärke-Messeinrichtung 25 gemessene
Feldstärke
des Nahfeldes an der Umlenkwalze 24 Null wird. Die Ausgestaltung
des Kompensationsvorganges als Regelung ergibt somit bereits eine
verbesserte Kompensationswirkung gegenüber der ersten Ausführungsform.
Zusätzlich
sind stromabwärts
der zweiten Umlenkwalze 24 konventionelle Entladeelektroden 31, jeweils
mit zugeordnetem Netzteil 32, zur Beseitigung etwa verbleibender
unipolarer Aufladungen auf den beiden Oberflächen der Materialbahn 21 vorgesehen.
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Gemäß den beschriebenen
bevorzugten Ausführungsformen
sind die beiden Umlenkwalzen 13 und 14 von 1 und
die beiden Umlenkwalzen 23 und 24 von 2 geerdet.
Es sind jedoch auch andere elektrische Potenziale verwendbar. Die
in Förderrichtung 12 bzw. 22 des
flächigen
Materials 11 bzw. 21 zweite Umlenkwalze 14 in 1 bzw.
erste Umlenkwalze 23 in 2 definiert
jeweils einen ersten Bereich (Neutralisierungsbereich) des flächigen Materials 11 bzw. 21,
in welchem die zweite Umlenkwalze 14 in 1 bzw.
die ersten Umlenkwalze 23 in 2 bevorzugt
an Erdpotential angeschlossen sind, jedoch stattdessen auch an ein
anderes elektrisches Potential angeschlossen sein können, welches ein
elektrisches Gegenpotential zu dem elektrischen Potential der Aufladeelektrode 19 in 1 bzw.
der Aufladeelektrode 25 in 2 bildet.
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Die
in Förderrichtung 12 bzw. 22 des
flächigen
Materials 11 bzw. 21 erste Umlenkwalze 13 in 1 bzw.
zweite Umlenkwalze 24 in 2 definiert jeweils
einen zweiten Bereich (Messbereich), in welchem die erste Umlenkwalze 13 in 1 bzw.
zweite Umlenkwalze 24 in 2 bevorzugt
an Erdpotential angeschlossen ist, jedoch stattdessen auch an ein anderes
elektrisches Potential angeschlossen sein kann, welches ein elektrisches
Gegenpotential zu dem elektrischen Potential der Aufladungsschicht
auf der benachbarten Seite des flächigen Materials 11 bzw. 21 bildet.
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Anstatt
der Umlenkwalzen 13 und/oder 14 in 1 sowie 23 und/oder 24 in 2 können auch andere
das flächige
Material bzw. 21 kontaktierende oder nichtkontaktierende,
aber in der Nähe
benachbart zu dem flächigen
Material angeordnete, Walzen oder Rollen oder nicht-rotierende Elemente,
z. B. Gleitkontakte oder berührungslose
Platten oder Elektroden verwendet werden (so nahe, dass die beschriebene
elektrische Wirkung eintritt).
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist in dem ersten Bereich (Neutralisierungsbereich) anstatt
der zweiten Umlenkwalze 14 in 1 bzw. der
ersten Umlenkwalze 23 in 2 ein rotierendes
oder vorzugsweise ein nichtrotierendes elektrisch leitfähiges Element
vorgesehen, welches das flächige
Material 11 bzw. 21 nicht kontaktiert.
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In
dem zweiten Bereich (Messbereich) ist es zwar vorteilhaft, eine
erste Umlenkwalze 13 in 1 bzw. eine
zweite Umlenkwalze 24 in 2 oder eine andere
Walze oder Rolle zu verwenden, welche das flächige Material 11 bzw. 21 kontaktiert,
jedoch kann stattdessen auch ein das flächige Material 11 bzw. 21 nicht
kontaktierendes, aber nahe des flächigen Materials angeordnetes
Element verwendet werden.
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Die
Ausführungsform 30 von 3 entspricht
funktionsmäßig der
Ausführungsform 10 von 1.
Es sind die gleichen Elemente vorgesehen, mit der Ausnahme, dass
in 3 eine Rolle 313 anstatt der Umlenkwalze 13,
und ein das flächige
Material 11 nicht-kontaktierendes Element 314 anstatt
der Umlenkwalze 14 vorgesehen sind.
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Die
Ausführungsform 40 von 4 entspricht
funktionsmäßig der
Ausführungsform 20 von 2.
Es sind die gleichen Elemente vorgesehen, mit der Ausnahme, dass
in 4 eine Rolle 424 anstatt der Umlenkwalze 24,
und ein das flächige
Material 21 nicht-kontaktierendes Element 423 anstatt
der Umlenkwalze 23 vorgesehen sind.
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Wenn
ein nicht-kontaktierendes elektrisch leitfähiges Element 314 bzw. 423 im
ersten Bereich (Neutralisierungsbereich) oder ein nicht-kontaktierendes
elektrisch leitfähiges
Element anstatt der Umlenkwalzen 13, 24, 313 bzw. 424 im
zweiten Bereich (Messbereich) verwendet wird, wird dieses vorzugsweise
so nahe wie möglich
bei dem flächigen
Material 11 bzw. 21 (welches eine schwankende
oder flatternde Bahn sein kann) angeordnet, z. B. mit einem Abstand
zwischen 2 mm und 20 mm.
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Die
Erfindung ist auch dann vorteilhaft verwendbar, wenn im ersten Bereich
(Neutralisierungsbereich) gegenüber
der Aufladeelektrode 19 bzw. 29 auf der von ihr
abgewandten Seite des flächigen
Materials 11 bzw. 21 kein leitfähiges Element
(Gegenelektrode) 14, 23, 314 bzw. 423 angeordnet
ist. Wenn ein solches elektrisch leitfähiges Element verwendet wird,
dann ist seine zur Aufladeelektrode zeigende Seite vorzugsweise
klein, z. B. eine Spitze oder Kante. Das Element kann z. B. ein
Draht oder ein Seil mit elektrisch leitfähiger Oberfläche sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern
es ist eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen. Insbesondere sind Kombinationen der verschiedenen Aspekte
der beschriebenen Ausführungsformen
und der abhängigen
Ansprüche
in beliebiger Kombination miteinander dem Schutzbereich der Erfindung
zuzurechnen.