DE3619179A1 - Verfahren und vorrichtung zum neutralisieren von elektrisch aufgeladenen werkstuecken in einem reinraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Neutralisieren von elektrisch aufgeladenen Werkstücken in einem Reinraum durch Anreichern einer laminaren Luftströmung im Reinraum mit Ionen beiderlei Vorzeichens.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Bestimmte industrielle Fertigungsvorgänge müssen in staub­ freien, elektrisch neutralen "Reinräumen" ausgeführt wer­ den. Zur Vermeidung turbulenter, staubaufwirbelnder Luft­ strömungen wird staubfreie Luft in laminarer Strömung von der Decke her in den Raum eingeleitet, die in der Nähe des Bodens ausströmt. Es ist ferner bekannt, in die laminare Luftströmung elektrische Ladungen beiderlei Vor­ zeichens einzulagern, so daß eventuell vorhandene Raum­ ladungen oder Ladungen an einem im Reinraum behandelten Werkstück neutralisiert werden. Zur Erzeugung der elektri­ schen Ladungen sind an der Decke des Raumes an den Ein­ trittsstellen der laminaren Luftströmungen positive und negative, an elektrische Hochspannung angelegte Elektro­ den angeordnet, zwischen denen sich eine elektrische Entladung vollzieht, die ihrerseits Ladungsträger beiderlei Vorzeichens erzeugt.

Es wurde jedoch gefunden, daß die im gleichen Hochspannungs­ feld erzeugten Ladungsträger rasch wieder rekombinieren, so daß in demjenigen Raumbereich, der an sich elektrisch neutralisiert werden sollte, zu wenig Ladungsträger zur Verfügung stehen und somit vorhandene elektrische Aufla­ dungen nicht beseitigt werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Beseitigung dieses Man­ gels ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit deren Hilfe in einem Reinraum eine ausreichende Menge an Ladungsträgern beiderlei Vorzeichens zur Verfügung ge­ stellt werden kann, um vorhandene elektrische Aufladungen zu neutralisieren.

Die Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren da­ durch gelöst, daß man in die laminare Luftströmung min­ destens zwei räumlich getrennte Ionenströme entgegenge­ setzten Vorzeichens einlagert und diesen Ionenströmen eine solche Divergenz verleiht, daß sie sich am Ort des zu neutralisierenden Werkstücks durchdringen. Eine Vor­ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht da­ rin, daß als Quelle für jeden Ionenstrom eine Korona- Entladung zwischen einer geradlinigen Reihe von an ent­ sprechende Gleichspannung angelegten Spitzen und einer ge­ erdeten Gegenelektrode vorgesehen ist und die Spitzen­ reihen mit ihren Gegenelektroden an der Decke des Rein­ raums an den Eintrittsstellen der nach unten verlaufenden laminaren Luftströmung angeordnet sind.

Da die erzeugten Ladungsträgerströme erfindungsgemäß zunächst räumlich voneinander getrennt sind, können Re­ kombinationen nicht eintreten. Die Divergenz der räumlich getrennten, in die laminare Luftströmung eingelagerten La­ dungsträger mit jeweils entgegengesetzten Vorzeichen wird dann so gesteuert, daß sich die Ströme erst am Ort des zu neutralsisierenden Werkstücks durchdringen. Dies heißt, daß die separat herangeführten Ladungsträger bis zum Erreichen des Werkstückes nur wenige Rekombinationen erfahren können, so daß eine ausreichende Menge an elek­ trischen Ladungen am Ort des Werkstücks oder in dem zu neu­ tralisierenden Raumbereich verfügbar ist.

Die nachstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Querschnittsansicht eines Reinraumes mit laminarer Luftströmung und Ionisierungsvorrichtungen;

Fig. 2 eine elektrische Schaltung für die Ioni­ sierungsvorrichtungen;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Ionisierungs­ vorrichtung in Gestalt eines Entladungs­ stabes und

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang Linie 4-4 in Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Schnittansicht einen Reinraum 1, dem durch eine Öffnung 2 Luft zugeführt wird. Die zugeführte Luft durchdringt eine an der Decke des Raumes vorgesehene Filterschicht 4 und fließt in Form einer laminaren Strömung von oben nach unten durch den Raum, an dessen Boden sie (durch nicht dargestellte Öff­ nungen) austritt. Die Fließrichtung der laminaren Luft­ ströme ist durch Pfeile 4 angedeutet. An der Decke des Raumes 1 sind unter der Filterschicht 3 senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1 verlaufende, stabförmige Ent­ ladungsvorrichtungen 5 angeordnet, die jeweils Ladungs­ träger (Ionen) eines bestimmten Vorzeichens erzeugen. Das jeweilige Vorzeichen ist in Fig. 1 neben den Entla­ dungsvorrichtungen 5 eingetragen. Ladungsträger (Ionen) eines bestimmten Vorzeichens werden also von den Ladungs­ trägern des entgegengesetzten Vorzeichens bei der Anord­ nung gemäß Fig. 1 räumlich getrennt voneinander erzeugt und in die nach abwärts gerichtete, laminare Luftströmung eingelagert. In Abhängigkeit von der an jeder Entladungs­ vorrichtung 5 erzeugten Menge an Ladungsträgern und der Geschwindigkeit der laminaren Luftströmung 4 divergie­ ren die Ladungs- oder Ionenströme bei ihrem nach ab­ wärts gerichteten Lauf seitlich nach unten, was durch die Begrenzungslinien 6-6 bzw. 7-7 für die negativen bzw. positiven Ladungsträger in Fig. 1 angedeutet ist. Zunächst verlaufen die beiden Ladungs- oder Ionenströme separat, so daß sie sich gegenseitig nicht durchdringen und somit keine Rekombinationen der Ladungen stattfinden können. Erst unterhalb einer bestimmten Stelle M im Raum 1 durch­ dringen sich die bis dahin getrennt verlaufenden Ionen­ ströme, so daß in diesem Raumbereich nunmehr Ladungsträ­ ger beiderlei Vorzeichen zur Verfügung stehen. In die­ sem Raumbereich wird das zu neutralisierende Werkstück und eine dieses fertigende oder bearbeitende Maschine 8 angeordnet.

Durch Bereitstellung einer entsprechend großen Anzahl von Entladungsvorrichtungen 5 an der Decke des Raumes 1 kann dieser Bereich durch Überlagerung von mehr als zwei Ionen­ strömen ausreichend groß gehalten werden.

Der Boden des Raumes 1, der Sockel der Maschine 8, ein etwa vorhandener Arbeitstisch o.dgl. werden vorteilhaft geerdet, so daß überschüssige Ladungsträger abfließen können.

Der Erfindungsgedanke beruht also darauf, die zur Neutra­ lisation benötigten Ladungsträger verschiedenen Vorzei­ chens an jeweils räumlich getrennten Stellen zu erzeugen und sie anschließend räumlich getrennt abfließen zu las­ sen, so daß praktisch keine Rekombinationen stattfinden können und der Aufladungszustand in der im wesentlichen nach unten gerichteten Strömung erhalten bleibt. Erst im eigentlichen Neutralisierungsbereich werden die Ladungs­ ströme zusammengeführt, so daß dort dann eine ausreichende Menge an Ladungsträger beiderlei Vorzeichens zur Verfügung steht.

Die Fig. 2 zeigt schematisch ein Schaltbild für den An­ schluß der Entladungsvorrichtungen 5 an eine Hochspannungs­ quelle 11. Die Quelle 11 ist eine Wechselspannungsquelle von etwa 10 kv oder kleiner, vorzugsweise zwischen 5 und 8 kv Die Quelle besteht im wesentlichen aus einem Transfor­ mator mit Primärwicklung 12 und Sekundärwicklung 13. Das eine Ende der Sekundärwicklung 13 ist geerdet, das andere Ende ist über zwei entgegengesetzt gepolte Gleichrichter 14, 15 mit den Hochspannungselektroden der Entladungsvor­ richtungen 5 verbunden, wobei die Hochspannungselektroden in noch zu beschreibender Weise als metallische Spitzen 16 ausgebildet sind, die mit geerdeten Gegenelektroden 17 zusammenwirken.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine für eine Anordnung gemäß Fig. 1 geeignete Entladungsvorrichtung in Gestalt eines Entladungs­ stabes 21. Der Stab 21 enthält im Bereich seiner Mittel­ achse ein aus mehreren Metalladern bestehendes Hochspan­ nungskabel 22, welches von metallischen Buchsen 23 koaxial umgeben ist. Von den Buchsen 23 stehen die Spitzen 17 ab. Zwischen den Buchsen 23 und dem Kabel 22 ist eine Masse 24 geringer elektrischer Leitfähigkeit angeordnet, beispiels­ weise ein elektrisch an sich isolierender Kunststoff, der durch Einlagerung elektrisch leitender Teilchen, insbeson­ dere Graphitpulver, leitfähig gemacht ist. Hierdurch ist eine galvanische Ankopplung der Buchsen 23 und damit der Spitze 17 an das Hochspannung führende Kabel 22 erreicht. Die Buchsen 23 wirken gegenüber dem Kabel 22, aber gleichzeitig auch als Kondensatoren, so daß die elektrische Verbindung der Spitzen 17 mit dem Kabel 22 gleichzeitig auch kapazitiv ist. Eine unmittelbar gal­ vanische Ankopplung der Spitzen 17 an das Kabel 22 ist deswegen erwünscht, weil die erzeugten Ionenströme verhältnismäßig hoch sein sollen. Das Kabel 22 könnte zum gleichen Zweck auch über diskrete Widerstände je­ weils mit den Spitzen 17 verbunden sein.

Die Buchsen 23 sind ihrerseits, wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, mit einem Mantel 25 aus elektrisch iso­ lierendem Material, insbesondere Kunststoff, umhüllt, über den in ebenfalls aus Fig. 4 ersichtlicher Weise die Elektrodenspitzen 17 vorstehen. Der isolierende Mantel 25 ist seinerseits von einem einseitig offenen Metallrohr 26 umgeben, welches geerdet ist und die Gegenelektrode zu den Spitzen 17 bildet. Die beiden freien Kanten des geschlitzten Rohres 26 liegen den Spitzen 17 beidseits gegenüber und sind, vgl. Fig. 4, mit Kunststoff abge­ deckt.

Wenn das Kabel 22 an Hochspannung eines bestimmten Vor­ zeichens angelegt und das die Gegenelektrode bildende Metallrohr 26 geerdet ist, bildet sich zwischen den Spitzen 17 und der Gegenelektrode eine kräftige Korona-Entladung aus, in welcher im wesentlichen Ionen nur eines Vorzeichens erzeugt werden.

Mit der Schaltung gemäß Fig. 2 werden an den Entladungs­ vorrichtungen 5 gepulste Ionenströme erzeugt, wobei jede Entladungsvorrichtung immer nur Ionen eines bestimmten Vorzeichens liefert. Zwei aus benachbarten Entladungsvor­ richtungen 5 stammende Ströme aus Ladungsträgern entgegen­ gesetzter Vorzeichen sind dabei zueinander phasenver­ schoben, was die räumliche Trennung der Ladungsträger und die Verhinderung einer Rekombination weiterhin be­ günstigt. Die in Fig. 2 dargestellte Hochspannungsquelle 11 arbeitet z.B. mit einer Frequenz von 50 Hz.

Im Bereich der Maschine 8 soll die Anzahl der aus den Entladungsvorrichtungen 5 zugeführten positiven Ladungs­ träger gleich derjenigen der zugeführten negativen La­ dungsträger sein, um eine Netto-Aufladung insgesamt zu vermeiden. Da in der Regel an den Entladungsvorrichtungen 5 mehr negative Ionen als positive Ionen gebildet werden, wird die Intensität der aus den einzelnen Entladungsvor­ richtungen 5 stammenden Ionenströme durch an sich bekann­ te Schaltmittel so gesteuert, daß am Ort des Werkstücks oder der Maschine 8 gleiche Ladungsströme eintreffen. Der Ladungsstrom oder die Ladungsmenge läßt sich bei­ spielsweise durch entsprechende Einstellung der Hochspan­ nung an den Entladungselektroden oder durch Einstellung des Abstandes zwischen den Spitzen 17 und der Gegenelek­ trode variieren. Hierdurch läßt sich auch die erwähnte Divergenz der Ionen- oder Ladungsströme steuern, wobei im letzteren Fall die Einstellung der Geschwindigkeit der laminaren Luftströmung 4 ein weiteres Steuermittel ist.

Die neutralisierten Werkstücke werden dem Reinraum 1 in einer Richtung entnommen, die parallel zu den stabförmigen Entladevorrichtungen 5 verläuft, also senkrecht zur Zeich­ nungsebene der Fig. 1. Bei einer solchen Entnahme verblei­ ben die Werkstücke nämlich stets in einem neutralisieren­ den Raum mit Ionen beiderlei Vorzeichens. Eine Entnahme senkrecht zur Längserstreckung der Entladevorrichtungen 5 würde das entladene Werkstück in Räume verbringen, in denen Raumladungen eines Vorzeichens vorherrschen, so daß erneute Aufladungen des Werkstückes eintreten könnten.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß sie mit verhältnismäßig niedriger Hochspannung, nämlich 10 kv oder weniger, auskom­ men. Die Vorrichtung ist von kompaktem Aufbau und erfor­ dert nur geringen Fertigungs- und Einbauaufwand. Die er­ zielte Neutralisierungswirkung ist wesentlich besser als mit herkömmlichen Vorrichtungen erreichbar.

Claims (10)

1. Verfahren zum Neutralisieren von elektrisch aufgela­ denen Werkstücken in einem Reinraum durch Anreichern einer laminaren Luftströmung im Reinraum mit Ionen beiderlei Vorzeichens, dadurch gekennzeichnet, daß man in die laminare Luftströmung mindestens zwei räumlich getrennte Ionenströme entgegengesetzten Vorzeichens einlagert und diesen Ionenströmen eine solche Divergenz verleiht, daß sie sich am Ort des zu neutralisierenden Werkstücks durchdringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man gepulste Ionenströme einlagert.

3. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den gepulsten Ionenströmen eine gegenseitige Phasenverschiebung erteilt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die Intensität der Ionenströme so steuert, daß am Ort des Werkstücks gleiche La­ dungsströme eintreffen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die neutralisierten Werk­ stücke parallel zur Ausrichtung Ionenströme er­ zeugender, stabförmiger Entladungsvorrichtungen aus dem Reinraum entnimmt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für jeden Ionenstrom eine Korona- Entladung zwischen einer geradlinigen Reihe von an entsprechende Gleichspannung angelegten Spitzen (17) und einer geerdeten Gegenelektrode (26) vorge­ sehen ist, und die Spitzenreihen mit ihren Gegenelek­ tronen an der Decke des Reinraums (1) an den Ein­ trittsstellen der nach unten verlaufenden, laminaren Luftströmung (4) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (26) in unmittelbarer Nähe der Spitzen (17) angeordnet und an die Spitzen und die Gegenelektrode eine Gleichspannung von weniger als 10 kv angelegt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung zwischen 5 und 8 kv liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Spitzen und die Gegenelektrode eine ge­ pulste Gleichspannung angelegt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Entladungsvorrichtungen (5) angeleg­ ten Gleichspannungen verschiedenen Vorzeichens gegen­ einander phasenverschoben sind.