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Die
Erfindung betrifft eine Elektrode für die Coronabehandlung
von Folien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Um
eine rohe oder beschichtete Kunststofffolie benetzbar bzw. bedruckbar
zu machen, muss deren Oberflächenenergie erhöht
werden. Dies erfolgt üblicherweise durch energiereiche
Behandlung der Folienoberfläche, und zwar bevorzugt dadurch, dass
die Folie einer elektrischen Coronabehandlung ausgesetzt wird. Die
direkt vom Extruder oder von einer Rolle kommende Folie durchlauft
dabei eine elektrische Coronaentladung, welche über die
gesamte Folienbreite reichen kann. Hierbei erhöht sich
die Oberflächenenergie der Folie, wodurch Druckfarben auf
dieser haften und nicht mehr abperlen.
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Die
Coronabehandlung der Folie erfolgt in der Regel dadurch, dass die
Folie über eine Umlenkwalze geführt wird, an deren
radialer Außenseite sich eine oder mehrere Elektroden befinden.
Eine solche Anordnung ist schematisch in 1 dargestellt.
Die Elektroden 10 bilden zusammen mit dem Metallkern 11 der
Umlenkwalze 12 einen elektrischen Kondensator, dessen Dielektrikum
zum einen durch die dielektrische Beschichtung 13 des Metallkerns
der Umlenkwalze und zum anderen durch die zu behandelnde Folie 14 selbst
gebildet wird. Die dielektrische Beschichtung 13 besteht
beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem keramischen Werkstoff.
Durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung zwischen den
Elektroden 10 und dem Metallkern 11 der Umlenkwalze 12 entsteht
eine Coronaentladung zwischen den Elektroden 10 und der
Oberfläche der zu behandelnden Folie 14. Zur Erzielung
einer intensiveren Behandlung werden meist mehrere Elektroden 10 entlang
des Umfangs der Umlenkwalze 12 verwendet, welche jeweils
mehrere Entladungsspitzen aufweisen können.
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Das
beschriebene Verfahren funktioniert nur bei elektrisch nicht leitenden
Folien, also beispielsweise unbeschichteten Kunststofffolien oder
Papierbahnen, zufriedenstellend.
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Häufig
müssen jedoch metallisierte Folien oder Papierbahnen einer
Coronavorbehandlung unterzogen werden. Da in diesem Falle die Oberfläche der
Folie 14 selbst elektrisch leitend ist, wird zwischen den
Elektroden 10 und der Folienoberfläche keine homogen
verteilte Coronaentladung bewirkt, sondern es finden einzelne, blitzartige
Entladungen statt, welche die Folie teilweise zerstören
und teilweise unbehandelt lassen. Um diesen Effekt zu vermeiden,
werden dielektrisch beschichtete Elektroden verwendet, beispielsweise
also Metallelektroden mit einem keramischen Überzug Hierbei
ergibt sich jedoch der Nachteil, dass der keramische Überzug
aufgrund seines, verglichen mit dem metallischen Kern, wesentlich
geringeren thermischen Expansionskoeffizienten, bei thermischer
Beanspruchung der Elektrode bricht. Selbst wenn nur Haarrisse in
dem keramischen Überzug entstehen, führt dies
sofort zu einer Konzentration des elektrischen Feldes in diesem
Bereich und damit zur Unbrauchbarkeit der Elektrode. Auch bei einer
aufwendigen Luftkühlung der gesamten Elektrode können
die durch die Coronavorbehandlung entstehenden Temperaturen vor
allem im Inneren der Elektrode nicht so weit reduziert werden, dass
die Elektrode unbeschädigt bleibt.
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Um
diesem Nachteil zu begegnen, werden daher häufig Elektroden
verwendet, welche aus einem Keramikrohr bestehen, das mit Metallpulver oder
-granulat gefüllt ist. Hierdurch verbleibt im Inneren des
Keramikrohres genügend Volumen, in das sich das Metallpulver
thermisch ausdehnen kann. Bei diesen Elektroden ist jedoch von Nachteil,
dass der einzig starre Teil das Keramikrohr ist, was zu einer entsprechenden
Bruchempfindlichkeit führt. Falls es zu einem Bruch des
Keramikrohres kommt, werden die entstehenden Keramiksplitter und
das austretende Metallpulver von der darunter fortbewegten Folien mittransportiert
und verschmutzen und beschädigen so die gesamte Anlage
und eventuell auch nachgeschaltete Vorrichtungen. Außerdem
müssen auch diese Elektroden luftgekühlt werden,
und um eine ausreichende Kühlfläche für
die auftreffende Kühlluft zu bilden, entsprechend groß ausgelegt
sein. Durch die Kühlung mit der im Bereich von Industrieanlagen regelmäßig
verschmutzten Luft, verschmutzen und verkrusten außerdem
die Elektroden in kurzer Zeit.
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Um
diesen Nachteilen zu begegnen, beschreiben beispielsweise die Druckschriften
DE 38 31 694 A1 ,
DE 36 40 966 A1 ,
DE 24 27 933 A1 und
DE-GM 94 02 370 innen gekühlte
Coronaelektroden aus Metall mit einer dielektrischen Umhüllung.
Insbesondere die letztgenannte Druckschrift beschreibt eine Coronaelektrode
mit einem festen Metallkörper als elektrisch leitendem
Kern, welcher mit einer dielektrischen Beschichtung aus Keramik überzogen
ist, wobei aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Metall und Keramik im Bereich der stärksten Erhitzung
Kühlbohrungen zur Durchleitung eines Kühlmittels
vorgesehen sind. Bei hoher Beanspruchung genügt jedoch
oft die Kühlleistung nicht, um ein Brechen der Keramik
aufgrund ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verhindern.
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Die
EP 1 047 165 B1 hat
eine ähnliche Elektrode zur Oberflächenbehandlung
elektrisch leitender oder nichtleitender Materialien zum Gegenstand, welche
als Rohr mit zwei parallel zueinander in Längsrichtung
verlaufenden Kanälen ausgebildet ist, von denen einer der
Zuführung eines Temperiermediums oder eines Prozessgases
dient, wobei das Rohr aus dielektrischem Material besteht und der
in Gebrauchslage der Gegenelektrode zugekehrte Kanal, der nicht
der Zuführung des Temperiermediums oder des Prozessgases
dient, mit einem Hochspannungsleiter versehen ist. Die Vorrichtung
weist ähnliche Nachteile auf, wie die eingangs diskutierten
Vorrichtungen.
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Es
besteht daher die Aufgabe, eine einen elektrisch leitenden Kern
und eine dielektrische Umhüllung aufweisende Elektrode
für die Coronabehandlung so weiterzubilden, dass sie kompakt,
wartungsarm und thermisch stabil ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben.
Diese zeigen:
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1:
Eine schematische Darstellung des Elektrodenbereichs einer Coronavorbehandlungsanlage
nach dem Stand der Technik im Querschnitt und
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2:
einen Längsschnitt durch die gesamte erfindungsgemäße
Elektrode mit den elektrischen und Kühlmittelanschlüssen,
sowie
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2a:
ein Detail aus 2.
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Die
in den 2 und 2a dargestellte Elektrode 10 dient
als Ersatz für die bislang verwendeten Elektroden 10 der
in 1 dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten
Elektrodenanordnung, auf welche bereits in der Beschreibungseinleitung
Bezug genommen wurde.
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Die
Querschnittsabmessungen der in 2 dargestellten
Elektrode 10 liegen bei etwa 5 bis 10 cm, während
die Längsausdehnung der Elektrode 10 je nach zu
behandelnder Folienbreite bis zu mehreren Metern betragen kann.
Die Elektrode 10 besteht aus einem Elektrodenkörper 1 aus
Keramik mit einer im Wesentlichen rohrförmigen Gestalt
mit rundem Querschnitt.
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Der
Elektodenkörper 1 weist aufgrund seiner rohrförmigen
Gestalt eine Durchgangsbohrung 2 auf, welche längs
durch den gesamten Elektrodenkörper 1 verläuft.
Die Dicke des Rohrmantels des Elektrodenkörpers 1 liegt
vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm.
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Innerhalb
der Durchgangsbohrung 2 befindet sich eine Schraubenfeder 4 aus
Federstahl, welche den festen, elektrisch leitenden Kern der Elektrode 10 und
somit das Gegenstück zum Metallkern 11 der Umlenkwalze 12 bildet.
Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, ist die Schraubenfeder 4 so
eingebaut, dass sie zu beiden Seiten des Elektrodenkörpers 10 einen
gewissen Abstand einhält. Hierdurch wird bewirkt, dass
die entstehende Coronaentladung nicht bis zum Rand des Elektrodenkörpers 1 bzw.
der Elektrode 10 reicht. Somit kann der Elektrodenkörper 1 an seinem
Rand befestigt werden, ohne dass während des Betriebs Schwierigkeiten
durch die Coronaentladung aufträten. Darüber hinaus
kann erzielt werden, dass eine Breite, zu behandelnde Folie 14 an
ihren Randbereichen, an denen Sie über die Länge
der Schraubenfeder 4 hinaussteht, nicht behandelt wird. Links
und rechts befinden sich in den äußeren Öffnungen
des Elektrodenkörpers 1 Stopfen 3, welche wasserdicht
oder gasdicht abschließen und die Durchleitung eines Kühlmittels,
vorzugsweise Wasser, über einen Zulauf 15 und
einen Ablauf 16 ermöglichen. Die Durchströmung
des rohrförmigen Elektrodenkörpers 1 erfolgt
somit durch die Durchgangsbohrung 2 in axialer Richtung.
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Die
Schraubenfeder 4 ist innerhalb des Elektrodenkörpers 1 bzw.
der Durchgangsbohrung 2 dadurch fixiert, dass ein aufgebogenes
Ende 17 der Schraubenfeder 4 durch eine seitliche
Bohrung 18 innerhalb des Elektrodenkörpers 1 herausgeführt
ist. Durch Festlegung dieses Endes 17 der Schraubenfeder 4 in
der Bohrung 18, welche nur geringfügig größer
ist als der Durchmesser des Materials der Schraubenfeder 4,
wird eine zuverlässige Fixierung der Schraubenfeder 4 innerhalb
des Durchgangskörpers 2 des Elektrodenkörpers 1 erreicht,
und zwar sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung. Die gesamte
Schraubenfeder 4 kann somit lediglich durch das herausgeführte
Ende 17 durch die Bohrung 18 vollständig
an der gewünschten Stelle innerhalb des Elektrodenkörpers 1 fixiert
werden und verbleibt zuverlässig an ihrem Platz.
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Darüber
hinaus kann die als Elektrode wirkende Schraubenfeder 4 durch
das herausgeführte Ende 17 elektrisch kontaktiert
werden, und zwar unabhängig von den durch die Stopfen 3 geführten
Zu-, und Abläufe 15 bzw. 16, als ohne
hier eine Dichtungsproblematik zu erzeugen.
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Zum
Zwecke der Abdichtung des herausgeführten Endes 17 der
Schraubenfeder 4 durch die Bohrung 18 wird diese
Bohrung 18 mit Hilfe eines Klebstoffs 19 versiegelt
bzw. abgedichtet.
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Während
des Betriebs der Elektrode 10 wird über den Zulauf 15 durch
die Durchgangsbohrung 2 ein Kühlmittel geleitet.
Dies kann entweder ein Gas, beispielsweise Luft sein, oder eine
Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser. Da sich der Elektrodenkörper 1 aufgrund
der Coronaentladung stark erwärmt, erfolgt die Kühlung
auf diese Weise genau dort, wo normalerweise die höchsten
Temperaturen während des Betriebs auftreten. Die als metallischer
Elektrodenkern verwendete Schraubenfeder 4 dehnt sich trotz der
Kühlung aus. Dies bewirkt jedoch keine Sprengung des keramischen
Elektrodenkörpers 1, da die Schraubenfeder 4 ihren
Durchmesser bei der Ausdehnung nicht vergrößert.
Die Ausdehnung der Schraubenfeder 4 führt nämlich
zum Einen zu einer nach innen gerichteten Verdickung des Federdrahts und
zum Anderen zu einer Verlängerung der Schraubenfeder 4 in
Elektrodenlängsrichtung, möglicherweise zu einer
zusätzlichen Verdrillung. Wesentlich ist, dass der innerhalb
der Bohrung 2 zur Verfügung stehende Raum ausreicht,
um den metallischen Kern (also der Schraubenfeder 4) Ausdehnungsspielraum geben
zu können.
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Die
Durchgangsbohrung 2 hat somit eine Doppelfunktion. Einerseits
nimmt sie die als metallischen Kern wirkende Schraubenfeder 4 auf,
andererseits dient sie als Kühlleitung.
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Von
besonderem Vorteil ist die einfache Fixierung der Schraubenfeder 4 innerhalb
des Elektrodenkörpers 1 durch das herausgeführte
Ende, und zwar sowohl in axialer als auch tangentialer Richtung,
mit dem zusätzlichen Vorteil der einfacheren Kontaktierbarkeit
der als Schraubenfeder 4 ausgebildeten Elektrode durch
deren herausgeführtes Ende.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3831694
A1 [0007]
- - DE 3640966 A1 [0007]
- - DE 2427933 A1 [0007]
- - DE 9402370 [0007]
- - EP 1047165 B1 [0008]