-
Vorrichtung und Verfahren zur Neutralisation statischer
-
Ladungen
Bei der Verwendung von Bahnen aus dielektrischem
Folienmaterial entsteht in diesem eine statische elektrische Aufladung. Eine solche
statische Aufladung führt zu Schwierigkeiten bei der weiteren Behandlung, beispielsweise
beim Wickeln, Schlitzen oder bei der Verwendung der Bahn.
-
Das Neutralisieren statischer Aufladungen auf der Oberfläche von sich
bewegenden Bahnen aus Folienmaterial ist seit langem das Ziel der auf diesem Gebiet
arbeitenden Fachleute.
-
Es wurden bereits Ladungen neutralisierende Vorrichtungen vorgeschlagen,
bei welchen feine Drahtelektroden in der Nähe des zu beeinflussenden Bahnmaterials
angeordnet sind.
-
In der US-Patentschrift Nr. 777 598 ist die Beseitigung statischer
Ladungen durch den Transport eines Bandes aus dielektrischem Material an einer Drahtelektrode
von hohem elektrischen Potential vorbei beschrieben. Die der Drahtelektrode eingeprägte
Spannung soll ausreichend hoch sein, damit ein Funkenüberschlag über etwa 19 mm
(etwa 3/4 ") erhalten wird. Die Spannung wird durch eine Teslaspule mit der hohen
Frequenz einer solchen Vorrichtung erzeugt.
-
Die US-Patentschrift 983 536 offenbart eine Vorrichtung zum Neutralisieren
statischer Elektrizität, bei welcher ein isolierter Leiter mit einem großen Oberflächenbereich
über einer sich bewegenden Bahn aus dielektrischem Material angeordnet ist und mit
einer hohen Wechselspannung gespeist ird. Diese Spannung erzeugt ein elektrostatisches
Feld, durch welches das Bahnmaterial hindurchgeleitet wird und in welchem ein abisolierter
feiner Erdungsleiterdraht angeordnet ist. Der Erdungsleiter ist für den Betrieb
der Vorrichtung notwendig.
-
Die US-Patentschrift 3 364 726 offenbart eine Vorrichtunq
zum
Neutralisieren statischer Elektrizität, bei welcher einer isolierten feinen Drahtelektrode
Wechselspannungen von verschiedenen Frequenzen im Bereich von 300 bis 2000 Hertz
je nach der Geschwindigkeit des zu neutralisierenden Bahnmaterials aufgedrückt werden.
Die feine Drahtelektrode muß sehr nahe der sich bewegenden Bahn angeordnet werden
und es besteht ferner die Notwendigkeit, daß nahe dabei eine leitende metallische
Erdungsschiene angeordnet wird.
-
Die Erfindung betrifft die Neutralisation statischer Ladungen auf
einer sich schnell bewegenden Bahn aus dielektrischem Material. Das Neutralisieren
geschieht dadurch, daß eine Wechselspannung von niedriger Frequenz einem feinen
leitenden blanken Draht aufgedrückt wird, der in der Nähe der sich bewegenden Bahn
angeordnet ist.
-
Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Neutralisieren
der statischen Ladung eines dielektrischen Bahnmaterials mit einer Einrichtung,
durch welche das sich bewegende Bahnmaterial kontinuierlich in einer bestimmten
Bahn bewegt wird, ein leitender blanker Draht von weniger als 0,030 cm (12 mils)
Durchmesser sich quer und parallel zum Bahnmaterial erstreckt und zwischen 0,6 und
8,0 cm (1/4 " und 3 ") vom Bahnmaterial angeordnet ist, und eine Einrichtung zum
Aufdrücken einer Wechselspannung auf den Draht von 3000 bis 10 000 Volt bei 40 bis
70 Hertz.
-
Für den besonderen Zweck des Aufwickelns von Walzen aus dielektrischem
Bahnmaterial ist eine Bahnwickelvorrichtung für ein dielektrisches Bahnmaterial
vorgesehen und diese besitzt eine angetriebene Wickelwalze, auf welche die Bahn
aufgewickelt wird; eine Anpreßwalze in Druckkontakt mit der um die Wickelwalze herumgewickelten
Bahn, an welchem Druckkontaktpunkt die Bahn zuerst auf die Wickelwalze
aufgelegt
wird; einen leitenden blanken Draht von weniger als 0,030 cm (12 mils) Durchmesser,
der sich quer und parallel zur Bahn erstreckt und in einem Abstand von 0,6 bis 8,0
cm (1/4 bis 3 ") vom Bahnmaterial auf der Wickelwalze mit einem Bogen von 0 bis
900 nach dem Kontakt mit der Anpreßwalze angeordnet ist und eine Einrichtung zum
Aufdrücken einer Wechselspannung auf den Draht von 3000 bis 10 000 Volt bei 40 -
70 Hertz.
-
Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Neutralisieren
statischer Ladungen auf einem dielektrischen Folienmaterial gerichtet, bei welchem
das Bahnmaterial in einer bestimmten Bahn 0,6 bis 8,0 cm (1/4 bis 3 ") von einem
leitenden blanken Draht von einem Durchmesser von weniger als 0,03G cm (12 mils)
Durchmesser bewegt wird, der sich quer und parallel zum Bahnmaterial erstreckt,
und dem Draht eine Wechselspannung von 3000 bis 10 000 Volt mit 40 bis 70 Hertz
aufgedrückt wird.
-
Zu den wichtigen und kritischen Elementen im Betrieb der Erfindung
gehören die Verwendung eines feinen blanken leitenden Drahtes, dem eine Wechselspannung
von niedriger Frequenz aufgedrückt wird, welche Spannung angemessen ist, eine Koronaentladung
einzuleiten, jedoch nicht den Wert übertrifft, der eine Funkenbildung verursacht.
-
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. l eine Darstellung der
Beziehung zwischen der erfindungsgemäßen feinen Drahtelektrode und einer sich bewegenden
Bahn und einem wahlweisen geerdeten Leiter; Fig. 2 eine Darstellung der Erfindung
für eine Wickelvorrichtung für eine geschlitzte Bahn.
-
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird die Bahn aus
dielektrischem
Material 10 in der Richtung des Pfeils bewegt und auf eine Aufnahmewalze 11 aufgewickelt.
Die Bahn 10 trägt infolge ihrer Behandlungsweise eine elektrostatische Ladung, bevor
sie unter die feine Drahtelektrode 12 gelangt. Die Drahtelektrode 12 ist parallel
zur Oberfläche der Bahn 10 angeordnet, befindet sich in einem Abstand von 0,6 bis
8,0 cm tal/4 bis 3 ") von dieser und erstreckt sich quer zur Bahn. Die Elektrode
12 trägt ein elektrisches Potential aufgedrückt von einem Transformator 13a, dessen
Primärwicklung beispielsweise mit einem Wechselstrom von 110 Volt von 60 Hertz gespeist
wird, während seine Sekundärwicklung 3000 bis 10 000 Volt liefert.
-
Die Speisespannung zum Transformator 13a wird aus dem Netz entnommen
und kann mit Hilfe eines Regeltransformators 13b geregelt und eingestellt werden.
Die Spannung an der Elektrode 12 wird so eingestellt, daß sie niedriger ist als
die Spannung, die eine selbständige Funkenentladung verursacht, jedoch höher als
die Spannung, die erforderlich ist, um eine Koronaentladung einzuleiten. Wahlweise
ist der geerdete Leiter 14 parallel zur Elektrode 12 und mit gleicher Erstreckung
wie diese angeordnet und befindet sich in einem Abstand von 0,6 bis 8,0 cm (1/4
bis 3 ") von der Bahn 10 und in einem Abstand von 0,6 bis 8,0 cm (1/4 bis 3 ") von
der Elektrode 12.
-
Wie sich aus Fig. 2 ergibt, bewegt sich die geschlitzte Bahn 15" um
die Schreibwalze 16 und gesonderte Bahnen 15 und 15' bewegen sich zu den Anpreßwalzen
17 weiter, die von Schwenkarmen 18 getragen werden (die äquivalenten Elementen der
rechten Wickelanordnung sind nicht mit Bezugsziffern versehen). Die Anpreßwalzen
17 machen Druckkontakt mit auf Kernen 20 aufgewickelten Wickelungen 19 und die einzelnen
Bahnen 15 und 15' werden auf die Aufwickelwalzen gewickelt. Elektrostatische Ladung
wird erzeugt, wenn sich die dielektrische Bahn an einer Walze 16 vorbei oder durch
Anpreßwalzen 17 bewegt. Um ein ladungsneutralisiertes
Aufwickeln
zu erzielen, muß die Ladung kontinuierlich an einer Stelle auf der Aufwickelwalze
zwischen den Anpreßwalzen 21 und Stellen um die Anpreßwalzen 22 herum weniger als
900 von der Anpreßwalze neutralisiert werden. Die Neutralisation der Ladung geschieht
innerhalb des Winkels, um das Entstehen einer Ladung von umgekehrter Polarität auf
der Aufwickelfläche zu vermeiden. Eine sofortige Neutralisation läßt keine Zeit
zum Entstehen solcher Ladungen. Es ist vorzuziehen, die Ladung innerhalb eines Winkels
von 9 bis 450 von der Klemmstelle zu neutralisieren. In Fig. 2 sind die Elektroden
12 und 12' und die geerdeten Leiter 14 und 14' schematisch innerhalb des bevorzugten
45°-Winkels angeordnet gezeigt. Die Spannungsquelle und die Erdverbindung für die
Drahtelektroden und die geerdeten Leitungen sind denjenigen der Fig. 1 ähnlich.
-
Die Drahtelektroden und die geerdeten Leitungen sind auf Schwenkarmen
18 angeordnet. Wenn die Größe der Aufwickelwalzen 19 zunimmt, behalten die Elektroden
und die Leiter annähernd den gleichen Abstand vom Umfang der Aufwickelwalzen.
-
Die Erfindung kann zur Neutralisation statischer Ladungen auf einer
sich bewegenden Bahn aus dielektrischem Material verwendet werden. Beispiele eines
solchen Materials sind faserhaltige Materialien, wie Papier, Gewebe, spunbonded
Kunststoffe u. dgl. und gewebelose Materialien, wie Regeneratzellulose, Folien aus
synthetischen Polymeren u.dgl..
-
Die Erfindung kann mit besonderem Vorteil auf Bahnen aus Polyester-,
Polyimid- und Polyolefinfolienmaterialien angewendet werden. Solche synthetischen
polymeren Materialien zeigen einen hohen Grad an statischer Ladungsaufrechterhaltung.
Die Erfindung mit ihrer verbesserten Neutralisation statischer Ladungen liefert
besonders gute Ergebnisse.
-
Es hat sich erwiesen, daß die Erfindung besonders wirksam bei Bahnen
aus Polyäthylenterephthalat arbeitet.
-
Die feine Drahtelektrode kann aus einem beliebigen leitenden Material
von geeigneter Zugfestigkeit hergestellt werden. Rostfreier Stahl ist zu bevorzugen.
Der Draht muß blank sein und es muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß der Draht
während des Betriebs frei von isolierenden Verunreinigungen gehalten wird. Der blanke
Draht ist notwendig, da er Ionen beim Kontakt entladen muß, und in dem Maße, in
welchem der Draht isoliert ist, können Ionen keinen Kontakt mit ihm machen. Die
feine Drahtelektrode hat gewöhnlich einen rundenlXierschnitt, was jedoch nicht notwendig
ist. Der Draht soll einen Durchmesser von weniger als etwa 0,030 cm (12 mils) haben,
wobei weniger als etwa 0,025 cm (10 mils) vorzuziehen sind. Die Ladungsneutralisiervorrichtung
arbeitet wirksamer, wenn der Drahtdurchmesser verringert wird, jedoch ist die untere
Grenze für den Drahtdurchmesser eine Angelegenheit der Zugfestigkeit des Drahtes.
Der Drahtdurchmesser soll bei der Zugfestigkeit des gewählten Drahtmaterials ausreichend
groß sein, damit der Draht quer zum Bahnmaterial straff gespannt werden kann. Der
Draht ist gewöhnlich von einem Durchmesser von über 0,010 cm (4 mils).
-
Der geerdete Leiter ist für die praktische Anwendung der Erfindung
wahlweise, ergibt jedoch bei seiner Verwendung etwas verbesserte Ergebnisse. Die
Erdung ist von der feinen Drahtelektrode in der Richtung der Bahnbewegung abgelegen
und kann eine Stange aus leitendem Material sein. Eine nicht isolierte Stange aus
rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 0,6 cm (etwa 1/4 ) wurde mit guten
Ergebnissen verwendet. Ein geerdeter Leiter ist nützlich, um sicherzustellen, daß
eine Erdung auf der gleichen Seite der sich bewegenden Bahn wie die feine Drahtelektrode
besteht. Es ist wichtig, daß irgendeine Erdung während der Neutralisation der statischen
Ladung besteht und daß sie in einer unbehinderten Linie von der feinen Drahtelektrode
aus
angeordnet ist.
-
Die Spannungsquelle ist ein technischer Wechselstrom, gewöhnlich von
60 Hertz, eingestellt mit Hilfe eines Transformators. Die Spannung wird auf ein
Niveau eingestellt, das dafür geeignet ist, eine Koronaentladung einzuleiten. Da
die feine Drahtelektrode blank und im wesentlichen ohne Abschirmung ist, erstreckt
sich die Koronaentladung über einen breiten Einflußwinkel, so daß sie ein verhältnismässig
breites Band quer zu der sich bewegenden Materialbahn zu einem beliebigen gegebenen
Zeitpunkt neutralisieren kann. Die Arbeitsweise der Erfindung ist bei Materialbahnen
wirksam, die sich mindestens mit llm/sec (700 yards per minute) bewegen. Es besteht
keine untere Grenze für die Bahngeschwindigkeit.
-
Mit Hilfe der Erfindung kann eine stationäre Bahn wirksam neutralisiert
werden.
-
Bei Neutralisierungsversuchen unter Verwendung einer Wickelvorrichtung
für eine geschlitzte Bahn ähnlicher der in Fig. 2 dargestellten wurden auf Wickelwalzen
aus Polyäthylenterephthalatfolienmaterial mit einer Breite von 25 bis 100 cm (10
bis 40 ") und einer Dicke von 6,25 bis 50,0 Mikron (0,25 bis 2,0 mils) mit einer
restlichen statischen Ladung von weniger als 0,2 Kilovolt bei 5 cm (2 ") von der
Folier.-oberfläche hergestellt. (Die nachfolgend angegebenen Werte für die restliche
statische Ladung wurden in einem Abstand von 5 cm (2 ") von der Folienoberfläche
bestimmt). Die feinen Drahtelektroden waren aus einer Tantallegierung mit einem
Durchmesser von 0,015 cm (6 mils). Die Versuche wurden bei Bahngeschwindigkeiten
von 0 bis 11 m/sec (0 bis 700 yards/min.) durchgeführt, wobei die Drahtelektroden
auf 7000 bis 8000 Volt bei 60 Hertz aufgeladen wurden und sich in einem mittleren
Abstand von 2,5 cm (1 ") von der Aufwickeloberfläche während des Verlaufs des Aufwickelvorgangs
befanden. Nach der Abschaltung der Spannung von den Drahtelektroden
nahm
die restliche statische Ladung der Aufwickelwalzen auf mehr als 30 Kilovolt zu.
Wenn die feinen 0 Drahtelektroden über 90 hinaus von der Klemmstelle der Aufwickelvorrichtung
angeordnet wurden, war die restliche statische Ladung der Aufwickelwalzen von ähnlicher
Große höher als 8 Kilovolt. Der bevorzugte Abstand für die Drahtelektroden und die
geerdeten Leiter vom Bahnmaterial betrug 1,25 bis 5 cm (1/2 bis 2 ").
-
Im Vergleich dazu ergaben Neutralisierungsversuche unter Verwendung
der gleichen Elektroden-Aufladespannung (6500 Volt) feine Drahtelektroden von 0,020
cm (8 mils) Durchmesser Aufwickelwalzen mit 3 Kilovolt restlicher statischer Ladung;
Elektroden mit einem Durchmesser von 0,015 cm (6 mils) ergaben Aufwickelwalzen mit
1,5 Kilovolt restlicher statischer Ladung; und Elektroden mit einem Durchmesser
von 0,013 cm (5 mils) ergaben Aufwickelwalzen mit 0,3 Kilovolt restlicher statischer
Ladung.
-
Zum Vergleich durchgeführte Neutralisierungsversuche unter Verwendung
von feinen Drahtelektroden von 0,015 cm (6 mils) ergaben eine Elektrodenpotentialspannung
von 8000 Volt Aufwickelwalzen mit 0,3 Kilovolt restlicher statischer Ladung und
einer Elektrodenpotentialspannung von 6500 Volt Aufwickelwalzen mit 1,5 Kilovolt
restliche statische Ladung. Das bevorzugte Potential der feinen Drahtelektrode betrug
6000 bis 9000 Volt.
-
Ende der Beschreibung.