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Verfahren und Vorrichtung zum Zuführen eines elektrischen Stroms
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zuführen eines
elektrischen Stroms aus einer Gleichstromquelle hoher Spannung über den Kern eines
mit einer durchschlagfesten Ummantelung versehenen Hochspannungskabels zu einer
Benutzungsanordnung.
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Ihre Nutzanwendung findet die Erfindung beim Abscheiden und Niederschlagen
von festen, flüssigen oder dampfförmigen Bestandteilen aus Gasen und Dämpfen auf
elektrischem Wege und beim elektrostatischen Bespritzen, Bestäuben und Bei locken
von Oberflächen. Das Anwendungsgebiet ist jedoch nicht auf diesen Sektor beschränkt.
Vielmehr kann die Erfindung in vorteilhafter Weise auch bei anderen elektrischen
Einrichtungen dazu benutzt werden, analoge Probleme auszuräumen.
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Beim elektrostatischen Bespritzen, Bestäuben und Bei locken von Oberflächen
werden die aufzutragenden Partikel mit Hilfe einer auf Hochspannungspotential gelegten
Elektrode ionisiert und anschließend durch das elektrische Kraftfeld dem Gegenpol
zugeführt, der von dem zu bespritzenden, bestäubenden oder zu beflockenden Objekt
gebildet wird. Die an einem solchen Gegenpol angelangten Partikel trocknen dort
im Fall des Spritzens an, werden im Fall des Bestäubens zumeist durch Wärmeeinwirkung
zusammengeschmolzen und beim Beflocken schließlich durch einen sich verfestigenden
Klebstoff mit dem betreffenden Objekt verbunden.
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Zum Auftragen des Uberzugsmaterials werden Spannungsstärken in der
Größenordnung von 100 Kilovolt verwendet. Derart hohe Spannungen sind erforderlich,
wenn mit der Elektrode ein größerer Abstand zum zu beschichtenden Objekt eingehalten
werden muß und durch den Umgriff des elektrischen Feldes auch die Rückseite eines
zu beschichtenden Gegenstandes wirkungsvoll erfaßt sein soll. Andererseits ergeben
sich daraus für eine Bedienungsperson erhöhte Gefahren, insbesondere wenn eine mit
der Hochspannungselektrode ausgerüstete Sprühpistole oder eine ähnliche von Hand
zu betätigende Vorrichtung vorgesehen ist. Da beim elektrostatischen Auftragen von
Überzugsmaterial vielfach brennbare Partikel oder doch zumindest leicht entzündbare
Lösungsmittel verwendet werden, besteht außer der M5glich keit, daß die Bedienungsperson
einen gefährlichen Schlag erhält, ferner die Gefahr, daß bereits durch kleine Entladungsfunken
Brände oder Explosionen verursacht werden.
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Die Gefahr eines Zündfunkens kann allerdings auch bei elektrischen
Einrichtungen gegeben sein, die nur mit
Spannungsstärken von einigen
Kilovolt arbeiten, und bei höheren Spannungen auch dann noch vorliegen, wenn die
Möglichkeit gefährlicher Schläge für die Bedienungsperson genommen ist.
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Bisher wurde zur Lösung der geschilderten Probleme zwischen der jeweiligen
Elektrode und dem zur Gleichstromquelle hoher Spannung führenden Hochspannungskabel
ein Strombegrenzungswiderstand eingefügt. Damit wurde zwar der Kapazität des Hochspannungskabels
und der auf der Speiseseite angeschlossenen Einrichtungen ein Großteil ihrer schädlichen
Wirkung genommen, zugleich ergaben sich jedoch auch einige Nachteile, so daß fortlaufend
Verbesserungen erarbeitet werden mußten. Der deutschen Patentschrift 1 147 520 zufolge
wurde Patentschutz darauf erteilt, daß der Widerstand in den den Elektrodenkopf.
tragenden Körper hinein verlängert ist und dieser Körper aus Isolierstoff besteht.
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Durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 427 633 ist es bekannt, wenigstens
einen Teil des Strombegrenzungswiderstandes von einem Teil des vor dem Zerstäubungsglied
befindlichen Flüssigkeitsvolumens zu bilden, durch die deutsche Offenlegungsschrift
1 402 626, stromabhängige Widerstände als Strombegrenzungswiderstände zu verwenden,
und durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 677 171, eine Steuerschaltung zur Anpassung
des Elektrodenpotentials an den Elektrodenabständ vorzusehen. Der deutschen Offenlegungsschrift
1 427 628 zufolge wurde zur Verbesserung des Wirkungsgrades beim Aufsprühen von
Überzügen, zur Verkleinerung der Sprühpistole und zur Verringerung der gefahrbringenden
Hochspannung in einem festen Abstand von der Aufladeelektrode eine Gegenelektrode
angeordnet, die auf einem Potential gehalten wird, das dem Erdpotential beträchtlich
näher als
dem Potential der -Aufladeelektrode liegt. Außerdem ist
der deutschen Offenlegungsschrift 1 577 907 die technische Lehre zu entnehmen, ein
geerdetes Element in den Strömungsweg des.Uberzugsmaterials zwischen der Elektrode
und einem nicht geerdeten leitenden Element, z.B. einem Ventil, einzufügen, um von
diesem nicht geerdeten Element ausgehende Zündfunken zu vermeiden und gleichzeitig
eine Verringerung des 'gZuviel-Zerstäubtentl zu erreichen, wenn eine verhältnismäßig
wenigleitende Flüssigkeit, z.B. Farbe, verwendet wird.
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Eirie weitere Verbesserung in der Bewältigung der Probleme beim Zuführen
eines elektrischen Stroms aus einer Gleichstromquelle hoher Spannung über den Kern
eines mit einer durchschlagfesten Ummantelung versehenen Hochspannungskabels zu
einer Benutzungsanordnung wurde schließlich durch ein Verf ahren urf eine Vorrichtung
erzielt, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift 1 590 989 in Klasse 21c,3/13
beschrieben slnd. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strom sJermittels
elektrolytischer Leitung durch eine Flüssigkeit oder Gel zugeführt: wird, das in
einem sich zwischen der Stromquelle und der Benutzungsanordnung erstreckenden flexiblen
Schlauch enthalten ist, und insbesondere dadurch, daß der flexible Schlauch eine
Metallsalzlösung enthält sowie der Strom zwischen zwei Elektroden fließt, die je
an einem der beiden Enden des flexiblen Schlauches angeordnet sind und aus dem Metall
bestehen, dessen Salz in der lösung gelöst ist. Bei der angegebenen Vorrichtung
weist das elektrische Element zwischen der Gleichstromquelle hoher Spannung und
der Benutzungsanordnung einen flexiblen Schlauch aus einem flüssigkeitsdichten Material
auf, der eine nicht leitfähige Flüssigkeit enthält, in der ein Metallsalz gelöst
ist, wobei der Schlauch
an jedem Ende vermittels einer Kappe abgedichtet
ist, die zumindest zu einem Teil aus dem Metall des Salzes besteht.
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Bei der zuletzt dargelegten Verbesserung wird demnach der dicht an
der Hochspannungselektrode endende Strombegrenzungswiderstand ebenfalls beibehalten,
nur mit dem Unterschied, daß er in das flexible Kabel verlegt und über dessen Länge
verteilt ist. Damit wird nicht nur die Zündfunkengefahrweiter verringert, sondern
auch eine Möglichkeit geboten, Sprühpistolen erheblich kleiner und handlichter zu
gestalten.
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Trotzdem ist auch diese Lösung zumeist noch nicht zufriedenstellend,
da wie bei allen vorher erwähnten Einrichtungen die Leistungsfähigkeit der Benutzungsanordnung
durch die Heranziehung des Strombegrenzungswiderstandes zur Beherrschung des Zndfunkenproblems
starken Beschrankungen unterworfen ist und Zündfunken nach wie vor auch dann auftreten
können, wenn die Benutzungsanordnung außer Betrieb genommen ist und eine zu starke
Annäherung an einen auf Hochspannungspotential aufgeladenen Körper erfährt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorkehrungen gegen derartige
Rückfunken zu treffen sowie die Möglichkeit eines für die Bedienungsperson gefährlichen
Schlages und die Gefahr der Zündfunkenbildung auch bei einem erhöhten Nutzleistungseinsatz
auszuräumen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern des
Hochspannungskabels mit den Eigenschaften eines Gleichrichters versehen ist und
der der Benutzungsanordnung aus der Gleichstromquelle zugeführte Strom in der Durchlaßrichtung
dieses Cleichrichters durch das Hochspannungskabel geleitet Er.
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Um die Betriebssicherheit beim Zuführen des elektrischen Stroms zur
Benutzungsanordnung weiter zu erhöhen, wird nach einer vorteilhaften verfahrensmäßigen
Ausgestaltung der Erfindung die elektrische Verbindung zwischen der Gleichstromquelle
und dem Hochspannungskabel durch den der Benutzungsanordnung zufließenden Strom
bei Erreichen eines oberen Schwellwertes automatisch unterbrochen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen der Gleichstromquelle und
dem Hochspannungskabel mittels einer auf Hochspannungspotential gelegten Steuereinrichtung,
damit Verzögerungen durch Generatorkapazitäten, Zuleitungskapazitäten und Wechselstromanteile
vermieden werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht im Hinblick
auf eine höhere Betriebssicherheit auch darin, daß die Unterbrechung der elektrischen
Verbindung zwischen der Gleichstromquelle und dem Hochspannungskabel bis zur Außerbetriebnahme
der auf Hochspannungspotential gelegten Steuereinrichtung beibehalten und durch
die Außerbetriebnahme dieser Steuereinrichtung aufgehoben wird.
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Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit wird nach einer anderen
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Stromzufuhr zur Benutzungsanordnung
auf der Speiseseite des Hochspannungskabels mittels einer zweiten, auf Erdpotential
befindlichen Steuereinrlchtung in der Weise gesteuert, daß durch Kontaktschluß in
der auf Erdpotential befindlichen Steuereinrichtung zunächst die auf Hochspannungspotentiaffl
belegte 3teuerelnrichtung in Betrieb gesetzt
und danach zeitlich
verzögert die Hochspannung eingeschaltet wird und umgekehrt durch Kontaktöffnung
in der auf Erdpotential befindlichen Steuereinrichtung zunächst die Hochspannung
ausgeschaltet und danach zeitlich verzögert die auf Hochspannungspotential gelegte
Steuereinrichtung außer Betrieb genommen wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht schließlich
auch darin, daß die Gleichstromquelle beim Ausschalten der Hochspannung bis zum.
erneuten Einschalten kurzgeschlossen wird, da dadurch Restladungen in diesem Bereich
beschleunigt unschädlich gemacht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für eine Verwendung
beim elektrostatischen Bespritzen, Bestäuben oder Beflocken. Dabei wird vorzugsweise
dafür gesorgt, daß die Hochspannung einen Wert von etwa 60 Kilovolt einnimmt und
der durch das Hochspannungskabel geleitete Arbeitsstrom die Stärke von 700 Mikroampère
nicht überschreitet. Wenn dazu die Gegebenheiten vorliegen, kann hierbei jedoch
auch einmal mit 200 oder nur mit 10 Kilovolt gearbeitet werden.
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Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß
der Kern des Hochspannungskabels zumindest über ein Teilstück hinweg aus einer großen
Anzahl mit übereinstimmender Polung aneinandergereihter Gleichrichterelemente besteht.
Dabei besitzt die Gleichrichterkette in Sperrichtung Spannungsfestigkeit vorzugsweise
gegenüber der vollen Hochspannung.
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Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung
zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.1 eine vereinfachte Darstellung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Hervorhebung der wesentlichen merkmale im
Aufbau des Hochspannungskabels, Fig.2 ein stark vergrößertes Teilstück der als Kabelkern
verwendeten Gleichrichterkette in Seitenansicht, Fig.3 die Draufsicht auf ein einzelnes
Element der Gleichrichterkette und Fig.4 ein Schaltbild der Gleichstromquelle hoher
Spannung in Verbindung mit den zugehörigen Steuereinrichtungen.
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In Figur 1 der Zeichnung wird angedeutet, daß die im Schnitt gezeichnete
Ummantelung 1 des Hochspannungskabels 2 aus hochflexiblemMaterial gefertigt ist.
Außerdem wird gezeigt, daß die als Kabelkern verwendete Gleichrichterkette 3 den
Bewegungen der Ummantelung 1 folgen kann. Die einzelnen Gleichrichterelemente 4
der Gleichrichterkette 3 besitzen unter anderem aus diesem Grunde zur Ummantelung
1 einen seitlichen Bewegungsspielraum. Dieser bedeutet allerdings auch für das Einbringen
der Gleichrichterelemente 4 in die Ummantelung 1 eine wesentliche Erleichterung.
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Die Gleichrichterelemente 4 sind durch mindestens eine in die Ummantelung
1 zusätzlich eingesetzte Druckfeder 5 mit ihren Kontaktflächen 6-und 7 aneinandergedrückt.
Vorzugsweise ist jedoch lediglich am speiseseitigen Anfang der Gleichrichterkette
3 eine Druckfeder 5 vorgesehen, um nicht erneut unliebsame Kapazitäten zu schaffen.
Aus demselben Grunde ist am Ende der Gleichrichterkette 3 ein aus spannungsfestem
Isoliermaterial bestehendes Verschlußstück 8 in die Ummantelung 1 eingepreßt und
mittels einer kapazitätsarmen Durchführung 9 elektrisch überbrückt.
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Die in den Figuren 2 und 3 vergrößert dargestellten Gleichrichterelemente
4 sind einseitig mit einem Fleck 10 aus Halbleitermaterial versehene Metallplättchen
11, wobei zur Niedrighaltung der Herstellungskosten das Halbleitermaterial Selen
ist und die Metallplättchen 11 aus Eisen bestehen. Die Metallplättchen 11 besitzen
vorzugsweise die Form einer Kreisscheibe, um ihr Einbringen in die Ummantelung 1
weiter zu erleichtern und den obenangeführten Bewegungsspielraum zu sichern. Dadurch,
daß der Fleck 10 aus Halbleitermaterial eine Kreisfläche ausfüllt, einen klelneren
Kreisdurchmesser als das als Träger dienende MStallplättchen 11 besitzt und auf
der einen Kreisfläche des Metallplättchens 11 eine konzentrische Lage einnimmt,
wird eine Vorsorge dagegen getroffen, daß ein einzelnes Gleichrichterelement 4 beim
starken Biegen des Hochspannungskabels 2 in seiner Randzone kurzgeschlossen wird.
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In der Anzahl der Gleichrichterelemente 4 bezüglichder Spannungsfestigkeit
der Gleichrichterkette 3 in Sperrichtung ist zumeist ein Sicherheitsfaktor von zwei
bis drei
berücksichtagt. Höhere Werte bedeuten eine unerwünschte
Vergrößerung des sich für das Hochspannungskabel 2 in Durchlaßrichtung ergebenden
Gesamtwiderstandes. Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß die verbleibende Gesamtkapazität
des erfindungsgemäßen Hochspannungskabels 2 mit der Verkleinerung der Gleichrichterelemente
4 weiter abnimmt, wurde für die Gleichrichterelemente 4 bevorzugt ein Außendurchmesser
von etwa 3 mm und eine Stärke von etwa 0,5 mm gewählt. Die Länge der Gleichrichterkette
3 kann somit etwa zwei bis drei Meter betragen. Da eine solche Länge für ein Zuleitungskabel
oftmals nicht ausreicht, kann zur Verlängerung des erfindungsgemäßen Hochspannungskabels
2 zwischen der Glechstromquelle 12 und der Gleichrichterkette 3 als Kabelkern ein
niederohmiger Leiter 13 vorgesehen sein, ohne daß die durch die Erfindung erzielten
Vorteile dadurch beschnitten werden.
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Die für elektrische Schläge und Zündfunken maßgebliche Kapazität bleibt
somit hochgradig auf die elektrisch leitenden Teile am Ausgang des Hochspannungskabels
2 beschränkt. Aus diesem stunde ist dafür gesorgt, daß die Gleichrichterkette 3
unmittelbar an der Benutzungsanordnung endet, und nach Möglichkeit auch dafür, daß
am Ende der Gleichrichterkette 3 1lediglich eine kapazitätsarmeElektrode 14vangeschlossen
ist. In Figur 1 der Zeichnung ist der Extremfall dargestellt, daß die Durchführung
9 des Verschlußstücks 8 und die Elektrode 14 zusammen von einem kleinen nadelförmigen
Körper gebildet werden. Das für diesen Fall sich ergebende Bild der elektrischen
Feldlinien 15 zwischen der Elektrode 14 und einer in einigem Abstand dazu angeordneten
geerdeten Kugel 16 ist zur Veranschaulichung der Bedeutung
des
Um griffs beim elektrostatischen Bespritzen, Bestäuben und Bei locken in die Zeichnungsfigur
1 mit aufgenommen.
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Mit der Bezugsziffer 17 ist dort letztlich ein Stützorgan für die
Druckfeder 5 bezeichnet.
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Bei dem in Figur 4 gezeigten Schaltbild ist das Hochspannungskabel
aus Figur 1 symbolisch durch eine Kette von Diodenzeichen wiedergegeben. Alle übrigen
Teile des Schaltbildes in Figur 4 sind dagegen der Inhalt des mit der Bezugsziffer-
12 versehenen quadratischen Schaltzeichens in Figur 1. Die Gleichstromquelle hoher
Spannung wird letztlich von einem aus dem 220 Volt-Wechselstromnetz über einen Stelltransformator
18 gespeisten Hochspannungstransformator 19 und einer Hochspannungskaskade 20 gebildet.
Die sich in der Verbindung zum Hochspannungskabel 2-anschließenden Widerstände 21,
22 und 23 sind lediglich zusätzliche Schutzwiderstände. Zwischen dem Widerstand
23 und dem Anschlußpunkt des Hochspannungskabels 2 ist die auf Hochspannungspotential
gelegte Steuereinrichtung eingefügt, die durch die gestrichelte Umrandung 24 kenntlich
gemacht wird. Sie umfaßt eine mit zwei Transistoren 25 ausgerüstete Verstärkerschaltung,
ein Relais 26 im Lastkreis der Verstärkerschaltung, eine Rückkopplung 27 zum Halten
des Relais 26-in seiner Arbeitsstellung, eine mit einem Niederspannungstransformator
28 ausgerüstete Stromversorgung für die Verstärkerschaltung, einen vom Relais 26
schließbaren Erregerstromkreis 29 zum Betätigen eines Hochspannungs-Trennelements
30 und einen Hochspannungs-Trenntransformator 31 zum Anschluß des Niederspannungstransformators
28 und des Erregerstromkreises 29 an das 220 Volt-Wechselstromnetz. Das Hochspannungs-Trennelement
30, das dicht am Anschlußpunkt des Hochspannungskabels
2 angeordnet
ist, bewirkt die eigentliche Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen
der Gleichstromquelle 20,21,22 und dem Hochspannungskabel 2.
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Sobald der Erregerstromkreis 29 stromlos wird, fällt es automatisch
in seine Schließlage zurück.
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Die zweite, auf Erdpotential befindliche Steuereinrichtung, die durch
die gestrichelte Umrandung 32 kenntlich gemacht ist, dient dazu, den Hochspannungs-Trenntransformator
31 zusammen mit einem zum Kurzschließen der Gleichstromquelle 20,21,22 bestimmten
Kurzschlußschalter 33 sowie den Stelltransformator 18 an das 220 Volt-Wechselstromnetz
anzuschließen und wieder von diesem zu trennen, wie es dem verfahrensmäßigen Schaltspiel
entspricht, das bereits beschrieben wurde. Zu diesem Zweck sind in der Steuereinrichtung
32 zwei Relais 34 und 35 vorgesehen, ferner zwei gekoppelte Transistorstufen 36
und 37 zum Erregen der Relais 34 und 35 und zwei Kondensatoren 38 und 39 für die
voneinander verschiedenen Zeitkonstanten. Außerdem enthält die Steuereinrichtung
32 eine den Transistorstufen 36 und 37 vorgeschaltete Eingangsstufe 40, die ihrerseits
über einen Stecker 41 und eine daran angeschlossene Steuerleitung 42 aus größerer
Entfernung mit Hilfe eines Tasters 43 betätigt werden kann. Zur Stromversorgung
der Steuereinrichtung 32 ist schließlich ein eigener Netztransformator 44 vorgesehen.
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Die Beschreibung des in Figur 4 wiedergegebenen Schaltbildes läßt
sich auf diese Angaben beschränken, da die erfindungsgemäßen Steuervorgänge in mannigfaltiger
Weise auch anders realisiert werden können.
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Zusammenfassend bestehen die mit der Erfindung erzielten Vorteile
insbesondere darin, daß das Hochspannungskabel 2 eine geringstmögliche Kapazität
aufweist und selbst nicht geerdet zu werden braucht, durch den äußerst hohen Widerstand
des Hochspannungskabels 2 in Sperrichtung selbst kleinste Rückfunken ausgeschlossen
sind, auch beim Wiederanlegen der Hochspannung an eine in beliebig kleinem Abstand
zu einem Objekt 16 gehaltene Elektrode 14 eine Zündfunkenbildung durch die automatische
Schnellunterbrechung der elektrischen Verbindung zur Gleichstromquelle 20,21,22
verhütet wird und am Ausgang des Hochspannungskabels 2 für die Benutzungsanordnung
stabilere und bei Bedarf höhere Ströme und Spannungen abgegeben werden können.
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25 Ansprüche