DE3508968A1 - Vorrichtung zur erzeugung positiver und/oder negativer ionen - Google Patents

Description

DIPL-ΙΝΘ. R. LEMCKE - 3 - 28.O2.S5

DR.- ING. H. J. BROMMER (13800/01) B/Bz

AMALIENSTRASSE 28 7500 KARLSRUHEI

IRS Industrie-Rationalisierungs-Systeme GmbH

Heidelberger Landstraße 175

6100 Darmstadt-Eberstadt

Vorrichtung zur Erzeugung positiver und/oder negativer Ionen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung positiver und/oder negativer Ionen mittels eines mit Influenzentladung arbeitenden Hochspannungsionisators, dessen unter Hochspannung stehender Leiter gegenüber der Umgebung isoliert ist, während seine Spitzenelektroden geerdet sind.

Beim elektrostatischen Beschichten mit Flüssiglacken, Pulver .oder Flocken verwendet man bisher Sprühgeräte mit einervHochspannungselektrode. Sie bildet ein elektrisches Feld, längs dessen Feldlinien das Beschichtungsmaterial durch elektrostatische Kräfte zum Werkstück fliegt.

Allerdings verursacht dieses elektrische Feld bei der Beschichtung von Hohlkörpern eine sog. Käfigwirkung. Die von der Sprühpistole ausgehenden Feldlinien laufen überwiegend zur Außenseite des Hohlkörpers und daher fliegt das Beschichtungsmaterial nur schlecht in die Hohlräume hinein. In der Beseitigung dieses Nachteiles besteht die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Daneben besteht in zahlreichen Anwendungsfällen das Bedürfnis, Werkstücke in möglichst ladungsfreiem Zustand zu halten bzw. eine auf dem Werkstück vorhandene Ladung weitestgehend abzuführen, damit die Handhabung der Werkstücke durch das Bedienungspersonal problemlos, insbesondere ohne die Gefahr elektrischer Schläge möglich ist. Dieses Bedürfnis besteht beispielsweise bei der elektrostatischen Sprühbeschichtung, wo eventuelle Funkenentladungen des Werkstückes das in der Sprühkabine enthaltende Pulver/ Luftgemisch zur explosionsartigen Entzündung bringen können. Außerdem wird die Beschichtungsqualität von einer eventuellen Aufladung der Werkstücke beeinträchtigt, da sich das wirksame Potentialgefälle zwischen Sprühgerät und Werkstück verändert.

Berührungslos arbeitende Hochspannungsionisatoren mit den Merkmalen des Oberbegriffes sind durch die US-PS 3,369,152, ihre Verwendung zur elektrostatischen Sprühbeschichtung durch die US-PS 4,042,971 bekannt. Dabei handelt es sich jeweils um Ionisatoren, die mit Wechselspannung betrieben werden. Dies führt dazu, daß die an den Spitzen der geerdeten Elektroden erzeugten Ionen abwechselnd positiv und negativ geladen sind. Durch Rekombination neutralisieren sich zahlreiche der positiven Ionen mit den negativen bzw. umgekehrt. Die Ionenausbeute wird dadurch beeinträchtigt, ebenso die räumliche Reichweite der Ionisierung.

Daneben sind auch Gleichspannungs-Ionisatoren bekannt, bei denen gleichsinnig geladene Ionen gebildet werden. Dabei müssen jedoch die von außen frei zugänglichen Spitzenelektroden an Hochspannung liegen, so daß es Probleme mit dem Berührungsschutz und der Überschlagsgefahr gibt. Bei explosionsgefährdeten Anlagen sind diese Ionisatoren völlig ausgeschlossen.

Hiervon ausgehend, liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Hochspannungsionisator der eingangs beschriebenen Gattung, also mit geerdeten Spitzenelektroden, dahingehend zu verbessern, daß die vorbeschriebene Rekombination der gebildeten Ionen ausgeschlossen wird. Zugleich soll sich der Ionisator zum Aufladen von BeSchichtungsmaterial eignen, ohne daß es zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen Ionisator und Werkstück kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der isolierte Leiter des Ionisators einerseits über eine Diode an einen schaltbaren Entladekreis seines Kondensators angeschlossen ist, der mit einer bestimmten Polarität aufladbar ist und daß der isolierte Leiter andererseits über einen Entladewiderstand geerdet ist.

Durch den mit gleichbleibender Polarität aufladbaren Kondensator wird zunächst erreicht, daß der Entladestrom im Ionisator stets Ionen gleicher Polarität erzeugt. Damit sich die Entladung des Kondensators nicht in Form einer mehr oder weniger gedämpften Schwingung vollzieht, ist der isolierte Leiter des Ionisators über eine Diode an den Entladekreis des Kondensators angeschlossen. Dadurch ist das zu erwartende Schwingkreisverhalten zwischen Ionisator und Entladekreis ausgeschlossen, das heißt, in der negativen Phase (Rückfluß der Ladung) können im Ionisator keine Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugt werden, die wieder zur Rekombination beitragen

würden. Die gespeicherte Ladung kann somit nicht zurück in den Entladekreis des Kondensators fließen, sondern wird durch den Entladewiderstand des isolierenden Leiters abgeleitet, um einen neuen Ladestromimpuls in den Ionisator zu ermöglichen.

Der Ionisator wird einem hohen Aufladestrom und einem niedrigen Entladestrom ausgesetzt. Die Entladung erfolgt dabei zehnmal, hundertmal oder tausendmal langsamer als die Aufladung, so daß praktisch kaum gegenpolige Ionen erzeugt werden. Je Ladeimpuls wird eine bestimmte Menge an gleichpoligen Ionen vor dem isolierten Leiter gebildet und der nachfolgende, gleichpolige Ionennachschub stößt diese bestehende Ionenwolke ab und somit von den Spitzenelektroden weg. Daher empfiehlt es sich, mit einer möglichst hohen Impulsfrequenz, insbesondere oberhalb 100 Hz zu arbeiten. Der Ladeimpuls steht dann nur für sehr kurze Zeit an und für den Entladewiderstand am Ionisator genügt ein Widerstand mit geringem Leistungswert.

Aufgrund der Isolierung der Hochspannungsleiter kann der Ionisator gefahrlos in Sprühgeräte eingebaut werden, so daß im Inneren des Sprühgerätes die Aufladung des Beschichtungsmaterials erfolgt und die bisher notwendigen, am Sprühpistolenaustritt angeordneten Elektroden entfallen. Ein elektrisches Feld zum Werkstück mit der unerwünschten Käfigwirkung kann sich daher nicht ausbilden.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, daß der Entladekreis die eine Wicklung eines Hochspannungstransformators enthält, dessen andere Wicklung in der Anschlußleitung des Ionisators liegt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der Entladekreis mit Niederspannung betrieben werden kann und lediglich die Anschlußleitung des Ionisators selbst unter Hochspannung steht. Die Verkabelung der Anlage wird dadurch wesentlich kostengünstiger. Für die Speisung des Kondensators empfiehlt es sich einen thyristorgesteuerten Impulsgenerator mit Oszillator

zu verwenden, der nach Erreichen einer vorgegebenen Sollspannung am Kondensator dessen Verbindung zum Generator unterbricht und einen Unterbrecher im Entladekreis schließt. Außerdem kann an den Impulsgenerator eine Überwachungs- und Regeleinheit angeschlossen sein, damit eventuelle Kurzschlüsse oder unzulässig hohe Ströme bzw. Spannungen sofort erkannt werden und zum Abschalten der Anlage führen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; dabei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Entladekreises mit dem Ionisator und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Impulsgenerators.

Der mit 1 bezeichnete Ionisator besteht aus einem gegenüber der Umgebung isolierten Leiter 2, der eine Reihe von nach oben ragenden Spitzenelektroden 3 umgibt. Der Leiter 2 ist an Hochspannung zwischen 50 und 150 kV angeschlossen, die Spitzenelektroden 3 liegen an Erde. Für die konstruktive Ausbildung des Ionisators kann selbstverständlich auch auf andere Bauarten zurückgegriffen werden, etwa gemäß der DE-PS 25 36 091.

Der Leiter 2 ist einerseits über einen Entladewiderstand geerdet, andererseits über eine Diode 5 und einen Hochspannungstransformator 6 an den Entladekreis eir.es Kondensators 7 angeschlossen. Dabei liegt die Hoch-

Spannungswicklung des Kondensators 6 in Reihe mit der erwähnten Anschlußleitung des Leiters 2, die Niederspannungswicklung in Reihe mit dem Entladekreis. Außerdem ist in den Entladekreis ein Unterbrecherschalter 8 eingebaut. Seine Steuerung erfolgt durch die abfallende Flanke des Entladeimpulses des Kondensators 7.

Da der Kondensator 7 im allgemeinen an Wechselspannung angeschlossen wird, ist ihm eine Diode 9 vorgeschaltet. Sie stellt sicher, daß die Aufladung des Kondensators immer mit gleichbleibender Polarität erfolgt und der Ionisator 1 dementsprechend nur gleichpolige Ionen erzeugt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Entladungswiderstand 4, die Diode 5 und ggf. auch den Transformator 6 in das Gehäuse des Ionisators 1 zu integrieren.

Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild zeigt den Aufbau des Impulsgenerators zur Speisung des Kondensators 7. Die Schaltung besteht aus einem Transformator 10 (ggf. mit Gleichrichter), einem Oszillator 11, einer Strom/Spannungs-Regeleinheit 12, einer Arbeitskomutierung 13, einer Pausenkomutierung 14 und einem Strom/SPannungs-Meßglied 15.

Der Oszillator 11, der mit einer Frequenz von 10 bis 300 Hz, zweckmäßig mit mehr als 100 Hz, arbeitet, schließt

zum Aufladen des Kondensators den Schalter der Arbeilskomutierung 13. Dadurch wird der Kondensator 7 aufgeladen. Ist über das Meßglied 15 das Erreichen der Sollspannung am Kondensator festgestellt, so wird die Stromzufuhr über das Schaltglied 13 unterbrochen und die nachgeschaltete Außenkomutierung 14 geschlossen. Dadurch sinkt die Spannung zwischen den Leitern a und b auf null und dieser Spannungsabfall vor der Diode 9 steuert den Schalter 8, indem dieser Schalter schließt, wenn die Spannung vor der Diode 9 nahe null liegt. Damit kann sich der Kondensator 7 entladen, wobei der Entladestrom in dem Hochspannungstransformator 6 und damit in dem Leiter 2 des Ionisators 1 den gewünschten Hochspannungsimpuls erzeugt. Hat die Impulsstärke auf einen vorgegebenen Wert abgenommen, so wird der Schalter 8 und die Außenkomutierung 14 durch bekannte elektronische Steuerungsmittel wieder geöffnet, die Arbeitskomutierung geschlossen und der Vorgang wiederholt sich.

Selbstverständlich kann die Stromversorgung des in Fig. dargestellten Schaltkreises auch auf andere Weise erfolgen.

Müssen die zu entladenden Werkstücke sowohl mit positiven wie auch mit negativen Ionen beaufschlagt werden, so empfiehlt es sich, zwei entsprechend gepolte Ionisatoren einzusetzen, jedoch in einem solchen Abstand, daß sich ihre Ionenwolken nicht überschneiden, sondern erst im Bereich des Werkstückes aufeinandertreffen.

Soll die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht zur Entladung von Werkstücken benutzt werden, sondern zur gleichpoligen Aufladung, insbesondere von Beschichtungsmaterial von elektrostatischen Beschichtungsanlagen, so werden die

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Spitzenelektroden 3 im Strömungskanal des Beschichtungsmaterials angeordnet, so daß das Beschichtungsmaterial beim Passieren des Ionisators positiv oder negativ aufgeladen wird. Das pulver- oder tropfchenförmige Beschichtungsmaterial fliegt dann aufgrund der elektromagnetischen Anziehungskräfte, ggf. durch Druckluft unterstützt, zum Werkstück. Da die Spitzenelektroden innerhalb der Sprühpistole angeordnet sind und somit kein elektrisches Feld mit dem zu beschichtenden Werkstück bilden können, kann es auch nicht zur Entstehung der vorbeschriebenen Käfigwirkung kommen. Es spielt daher keine Rolle, ob Außenflächen oder Hohlräume beschichtet werden sollen.

Dadurch, daß die an Hochspannung liegenden Elektroden isoliert sind, besteht auch keine Gefahr, daß es innerhalb des Sprühgerätes zu Funkenüberschlagen, Explosionen od. dgl. kommt.

Zugleich hat die Erfindung den Vorteil, daß es nicht mehr zur paarweisen Neutralisation entgegengesetzt aufgeladener Beschichtungsteilchen kommen kann. Der Ausfall von neutralisiertem Beschichtungsmaterial, das nicht mehr zum Werkstück gelangt, sondern die Umluft belastet, wird dadurch wesentlich reduziert.

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Claims (7)

DIPL-IN6. R. LEMCKE 28.02.85 DR.-IN6. H. J. BROMMER (13800/01) B/Bz AMALIENSTRASSE28 KARLSRUHE 1 IRS Industrie-Rationalisierungs-Systeme GmbH Heidelberger Landstraße 175 6100 Darmstadt-Eberstadt Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung positiver und/oder negativer Ionen mittels eines mit Influenzentladung arbeitenden Hochspannungsionisators, dessen unter Hochspannung stehender Leiter gegenüber der Umgebung isoliert ist, während seine Spitzenelektroden geerdet sind,

dadurch gekennzeichnet, ι

daß der isolierte Leiter (2) des Ionisators (1) einerseits _v über eine Diode (5) an einen schaltbaren Entladekreis eines Kondensators (7) angeschlossen ist, der mit einer bestimmten Polarität aufladbar ist und daß der isolierte Leiter (2) andererseits über einen Entladewiderstand (4) geerdet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladewiderstand (4) so hochohmig ist, daß die Entladung um zumindest eine Größenordnung langsamer als die Aufladung erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1-, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz im Entladekreis über 100 Hz liegt.

(13800/01) - 2 -

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekreis die eine Wicklung eines Hochspannungstransformators (6) enthält, dessen andere Wicklung in der Anschlußleitung des Ionisators (1) liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Kondensators (7) durch einen Impulsgenerator mit Oszillator (11) erfolgt, der nach Erreichen einer vorgegebenen Sollspannung am Kondensator (7) dessen Verbindung zum Generator unterbricht und einen Unterbrecherschalter (8) im Entladekreis schließt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegensinnig gepolte Ionisatoren kombiniert und derart ausgerichtet sind, daß sich ihre Abstreiffelder erst nahe des zu entladenden Werkstückes überlappen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisator im Inneren eines Sprühgerätes eingebaut ist.