DE3940535C2

DE3940535C2 - Verfahren zum Auswählen eines optimalen Reihen-Strombegrenzungswiderstands in einer Hochspannungsschaltung

Info

Publication number: DE3940535C2
Application number: DE3940535A
Authority: DE
Inventors: Dale R Hemming
Original assignee: Graco Inc
Current assignee: Graco Minnesota Inc
Priority date: 1988-12-09
Filing date: 1989-12-07
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2009-12-08
Also published as: CA2004268A1; GB2225907A; GB2225907B; GB8927074D0; JP2771649B2; FR2640387A1; US4890190A; FR2640387B1; DE3940535A1; JPH02202364A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Hochspannungs-Steuerschaltungen, insbesondere eine Schaltung zur Verwendung in Verbindung mit einer elektrostatischen Farbsprühpistole oder ähnlichem, um die Spannung und den Ionisationsstrom zu regeln, um gefährli che Zündungen zu verhindern.

Systeme zur Erzeugung elektrostatischer Felder werden seit langem in der Technik des Farbsprühens verwendet, um eine Kontrolle über die Quantität und Qualität des Beschichtungs materials zu erhalten, das auf einen Gegenstand aufgetragen wird. Derartige Systeme arbeiten üblicherweise mit dem zu be schichtenden Gegenstand an ein elektrostatisches Grundspan nungspotential angelegt, wobei der elektrostatische Sprühbe schichtungsapparat oder Teile davon auf ein Spannungspoten tial angehoben ist, das üblicherweise 60 000 Volt (60 Kv) überschreitet. Bei den ersten Ausführungen solcher Systeme war das eine Hochspannung erzeugende System üblicherweise von einer Sprühpistole entfernt angeordnet, die dabei erzeugte Hochspannung wurde über ein isoliertes Hochspannungskabel der Sprühpistole zugeleitet. Die Spannung wurde durch die Sprühpistole geleitet und das Hochspannungsfeld über eine nahe der Spitze der Sprühpistole angeordnete Nadelelektrode erzeugt, wobei die versprühten, aus der Sprühpistole austretenden Par tikel in das elektrostatische Feld ein- und hindurchtreten. Die versprühten Partikel erhalten dadurch eine elektrische Ladung, die eine anziehende Kraft erzeugten, um das Auftragen der Partikel auf den an Masse gelegten Gegenstand zu unter stützen. Der Wert solcher Systeme wurde sichtbar durch die Gesamtreduktion eines Übersprühens, da ein hoher Prozentsatz der versprühten Partikel von dem Gegenstand selber angezogen werden. Jüngere Auslegungen elektrostatischer Sprühbeschich tungssysteme weisen in dem Sprühpistolenkörper selber einge schlossene Teile des Systems zur Erzeugung einer Hochspannung auf. Beispielsweise zeigen die folgenden Patente US 3 731 145, 3 599 038 und 3 608 823 elektrostatische Sprühbeschich tungssysteme, in welchen ein Spannungsvervielfacher in dem Sprühpistolenkörper eingebaut ist, wobei eine externe Nieder spannungs-Energiezufuhr eine relativ niedrige Spannung durch einen Draht zuführt, der mit der Sprühpistole verbunden ist. Derartige Systeme weisen den Vorteil des Wegfalls des sperri gen Hochspannungskabels auf, das zwischen der äußeren Kraft quelle und der Sprühpistole vorgesehen ist und den des Redu zierens der Gesamtgröße der erforderlichen Energiezufuhr für jedes gegebene Liefersystem für die elektrostatische Span nung.

Die neuesten Verbesserungen bei elektrostatischen Sprühsyste men betreffen die Verwendung einer elektrostatischen Sprühpi stole, bei der die Hochspannungsstromversorgung vollständig in dem Sprühpistolenkörper eingebaut ist, weshalb keinerlei externe Drähte oder Stromzuführung erforderlich ist. Derar tige Systeme sind in den Patentschriften US 4 290 091, 4 377 838 und 4 491 276 beschrieben, die Luft als Energiequelle zum Antreiben einer kleinen Luftturbine verwenden, die in dem Sprühpistolenkörper angeordnet ist. Die Luftturbine ihrerseits treibt einen Generator zum Erzeugen einer relativ nied rigen Wechselstrom-(AC)Spannung, die in einen Spannungsver vielfacherschaltkreis zum Erzeugen der notwendigen Hoch spannung eingespeist wird.

Alle vorangehend beschriebenen Systeme verwenden ein Konden sator-Diode-Spannungsvervielfacher-System, allgemein unter dem Namen Cockroft-Walton-Schaltung bekannt, worin eine Serie von kaskadegeschalteten Kondensatoren und Dioden miteinander verbunden sind, um einen Vollwellenspannungsdoppler zu bil den, wobei so viele Stufen verwendet werden wie erforderlich ist, um den notwendigen Hochspannungsoutput von einer gerin gen Spannung eines niedrigen Wechselstromimpuls zu erzeugen.

Ein wiederkehrendes Problem des Stands der Technik war es, derartige hochspannungselektrostatische Sprühbeschichtungs systeme zu entwickeln, bei denen die Gefahr von Feuer oder Explosion vermieden oder zumindest verringert werden. Das Problem tritt insbesondere dann auf, wenn flüchtige Sprühbe schichtungsmaterialien, wie beispielsweise Farbe mit flüchti gen Lösungsmitteln, zusammen mit Schaltungen verwendet wer den, die in der Lage sind, eine elektrostatische Spannungs entladung zu liefern. Energie einer elektrostatischen Span nungsentladung kann ausreichend sein, die Zündung löslicher Dämpfe zu verursachen, die von den Sprühbeschichtungsmateria lien herrühren, woraus sich eine Stichflamme oder eine Explo sion entwickeln kann. Es wurde herausgefunden, daß die Bedin gungen für eine Spannungsentladung kurz nach einer plötzli chen und schnellen Zunahme im Hochspannungsversorgungsstrom auftreten, wobei dieser Strom als Ionisationsstrom von der Hochspannungselektrode herrührend bekannt ist.

Im Stand der Technik wurden bereits Vorrichtungen vorgeschla gen, um dieses Problem durch Begrenzen des maximalen Ionisa tionsstroms zu lösen, der von der Elektrode erzielt werden kann, und zwar durch Einschluß eines Reihen-Widerstands in der Stromzufuhr, um die Elektrodenspannung direkt proportio nal zur Größe des Ionisationsstroms zu reduzieren.

Aus Lever, R. C.: Zur Frage der Hochspannung bei elektrostati schen Sprühausrüstungen, Industrie-Lackier-Betrieb 1970, 38. Jahrgang, Nr. 4, Seiten 163-167, ist ein Verfahren zum Auswahlen des optimalen Reihen-Strombegrenzungswiderstands in einer Hochspannungsschaltung vom Cockroft-Walton-Typ bekannt, bei dem für die Hochspannungserzeugung bei elektostatischen Sprühanlagen die Spitze-Spitze-Spannung am Eingang der Cock roft-Walton-Schaltung ermittelt und die Anzahl der Spannungs vervielfacherstufen in der Cockroft-Walton-Schaltung bestimmt wird. Weiterhin wird bei dem bekannten Verfahren der maximal zulässige Kurzschlußstrom durch die Cockroft-Walton-Schaltung angegeben. Darüber hinaus ist aus dieser Entgegenhaltung auch bekannt, den Wert des Strombegrenzungswiderstands aus dem er mittelten Hochspannungswert am Ausgang der Cockroft-Walton- Schaltung und dem ermittelten maximal zulässigen Kurzschluß strom zu berechnen und einen solchen Widerstand in Reihe zum Verbraucher an die Cockroft-Walton-Schaltung anzuschließen.

Cockroft-Walton-Schaltungen sind beispielsweise aus GB 886,470 A, US 4,290,091 A und US 4,485,427 A bekannt.

Eine andere Ausführung nach dem Stand der Technik versuchte dieses Problem durch Verwendung verschiedener Formen von Steuerschaltungen zu lösen, deren Wirkung darin besteht, ent weder die elektrostatischen Hochspannungsstromversorgung bei verschiedenen vorbestimmten Ionisationsstromniveaus abzu schalten oder eine Stromlastleitung zu schaffen, der es nicht erlaubt ist, über ein kritisches Ionisationsstromniveau hin auszugehen. Das kritische Ionisationsstromniveau, nämlich der Ionisationsstrom, der erforderlich ist, eine Spannungsentladung herbeizuführen, ist für ein Sprühbeschichtungssystem recht genau vorherbestimmbar.

Ein technischer Bericht mit dem Titel "Investigation of Mini mum Corona-Type Currents for Ignition of Aircraft Fuel Vapors", von M. M. Newman und J. D. Robb, veröffentlicht durch National Aeronautics and Space Administration (NASA) als NASA Technical Note D-440, Juni 1960, berichtete, daß der kleinste Corona-Type-Strom, der ausreichte, um bestimmte Flugzeug treibstoffe zu zünden, bei ca. 220 Mikroampere lag. Dieser Bericht betraf Testergebnisse aus Tests für Flugbenzin und verschiedene Düsentriebwerktreibstoffe unter verschiedenen Temperatur- und Zündbedingungen. Obwohl das kritische Ionisa tionsstrom-Niveau etwas durch atomosphärische Bedingungen, wie Temperatur und Feuchtigkeit beeinflußt wird, wird ange nommen, daß der kritische Ionisationsstrom von ca. 230 Mikro ampere die Zündung von gelösten Dämpfen verursachen kann, die bei den meisten Betriebsbedingungen beim Farbsprühen auftre ten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorstehend be schriebene bekannte Verfahren zum Auswählen eines Reihen- Strombegrenzungswiderstands in einer Hochspannungsschaltung vom Cockroft-Walton-Typ dahingehend zu optimieren, dass die Stromaufnahme eine maximale Wirksamkeit aufweist, wobei das Ionisationsstromniveau unterhalb eines kritischen Niveaus bleibt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen und Bauen einer Hochspannungsschaltung vom Typ Cockroft-Walton, um die optimale Wahl von Serienwiderständen für den Ge brauch in Verbindung mit diesem Schaltungstyp zu gestatten und zwar für eine maximale Wirksamkeit bei der Stromaufnahme, während er auf oder unterhalb eines kritischen Ionisations stromniveaus verbleibt. Das Verfahren ist anpassbar an jede allgemeine Cockroft-Walton-Schaltung, bei der die Spitze- Spitze-Spannung und die Anzahl der Stufen der Spannungsmulti plikationen bekannt sind und der Kurzschlußstrom durch die Hochspannungsschaltung gemessen werden kann oder bekannt ist. Das Verfahren ermöglicht die Auswahl des Reihen-Widerstands, der optimal für eine Cockroft-Walton-Schaltung mit den oben bezeichneten bekannten Parametern ist, um Ionisati onsstromniveaus unter einem vorbestimmten kritischen Stromni veau zu halten, das geringer ist als der Strom, der erforder lich ist für die Zündung von flüchtigen Dämpfen und ähnli chem.

Figurenliste

Die Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine repräsentative Cockroft-Walton-Spannungsver vielfacher-Schaltung;

Fig. 2 einen Graph verschiedener Lastlinien; und

Fig. 3 einen Graph verschiedener Lastlinien, die der Er findung zugeordnet sind.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt einen typischen und repräsentativen Cockroft- Walton Schaltkreis der Art, wie er häufig in dem Aufbau einer elektrostatischen Sprühausrüstung verwendet wird. Der Schaltkreis weist einen Vervielfacherabschnitt auf, der aus einer Serie von Kodensatoren und Dioden besteht, die als sukzessive Spannungsverdoppler in einer Anzahl von Endstufen verdrahtet sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beträgt die Anzahl N gleich 10. Die Schaltung weist ebenfalls einen Ausgangswider stand Rs auf, der gegebenenfalls in Schaltungen gefunden wer den kann, die einer elektrostatischen Sprühausrüstung zuge ordnet sind. Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Auswählen des optimalen Werts für den Widerstand Rs unter verschiedenen vorbestimmten Betriebsbedingungen anzugeben. Die Schaltung aus Fig. 1 besitzt eine wechselnde Input-Span nung, angelegt am "Input"-Anschluß, die üblicherweise durch ihren Spitze-Spitze-Wert (Vp-p) bestimmt ist. Die Schaltung hat eine Output-Spannung, die an dem mit "Output" bezeichne ten Endpunkt gemessen werden kann, die eine Gleichstrom(DC)- Spannung ist, üblicherweise gemessen in Kilovolt. Zusätzlich hierzu gibt es einen Gleichstrom (DC) durch die Schaltung zum "Output", wobei dieser Strom als "Ionisierungsstrom" bekannt ist, der die freien Elektronen produziert, damit diese und die Farbpartikel abzugeben, die in der Nähe des "Output"-End punkts ausgestoßen werden.

Der Stromfluß wird üblicherweise im Mikroamperebereich gemes sen und es wurde durch frühere Studien herausgefunden, daß dieser Stromfluß sorgfältig gesteuert werden muß, um die Ge fahr von Zündungen zu verhindern, insbesondere dann, wenn die Partikel, die in Verbindung mit der elektrostatischen Ener gieversorgung abgegeben werden, flüchtige Partikel sind.

Im Fall einer Farbsprühanlage ist die Emission von Farb- und Lösungsmittelpartikeln hochflüchtig, weshalb der Stromfluß durch den Schaltkreis unter einem bestimmten kritischen Wert gehalten werden muß, welcher Wert bereits früher im Bereich von 200 bis 220 Mikroampere bestimmt worden ist.

Fig. 2 zeigt einen das Verhältnis Strom-Spannung darstellen den Graph in einer üblichen Farbsprühanlagen-Anwendung, und zwar bei verschiedenen Lastbedigungen. Der schraffierte Be reich in Fig. 2 zeigt die theoretisch sichere Betriebszone, in der die Gefahr einer Zündung und Explosion verringert ist. Werden die Strom- und Spannungsbetriebsparameter der Farb sprühanlage in dieser schraffierten Zone gehalten be steht nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit einer Zündung, wenn die Sprühmaterialien die üblichen flüchtigen Farbmate rialien beinhalten.

Linie 102 ist eine Lastlinie, die repräsentativ ist für die Spannungs-Strom-Charakteristika durch einen Vervielfacher, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Die dymanischen Impedanz charakteristika eines solchen Vervielfachers resultieren aus einem nichtlinearen Verhältnis zwischen Spannung und Strom, wie es durch die Linie 102 dargestellt ist. Wenn die Last-Li nie 102 repräsentativ für die Schaltung eines üblichen elek trostatischen Sprühpistolenaufbaus ist und wenn des weiteren der Stromwert Isc den maximalen Stromwert zeigt, der für einen sicheren Betrieb zulässig ist, dann ist es offensicht lich, daß die Lastlinie 102 für die Verwendung ohne Gefahr unbefriedigend ist. Die Linie 102 zeigt, daß Ionisierungs strom-Niveaus weit unter dem maximalen sicheren Stromniveau möglich sind, wenn nur der Vervielfacherabschnitt der Schal tung aus Fig. 1 ist eine Sprühpistole eingebaut ist. Die ge nerelle Wirkung des Hinzuaddierens des Widerstands Rs in Reihe mit der Vervielfacherschaltung aus Fig. 1 liegt darin, die Lastlinie gerade zu richten und sie allgemein nach unten in die sichere Betriebszone zu verschieben. Es wurde heraus gefunden, daß ein vordefiniertes Verhältnis zwischen dem Wert von Rsc und anderen operationalen Werten besteht, die zur Schaltung aus Fig. 1 gehören, das durch die folgende Glei chung bestimmt ist:

In der oben dargestellten Gleichung ist Vp-p die Spitze- Spitze-Spannung, die am "Input" der Schaltung aus Fig. 1 an gelegt wird; der Wert N ist die Anzahl der Spannungsverdopp ler der Schaltung, der Wert Isc ist der maximale Kurzschluß strom, der für sichere Betriebsbedingungen gestattet ist; der Wert X ist ein beliebiger Wert, der für die Gleichung ausge wählt werden kann, um die Lastlinie neu zu positionieren.

Fig. 3 zeigt einen Graph, der verschiedene Lastlinienpositio nen widergibt, entsprechend der Wahl verschiedener Werte für X in der oben angegebenen Gleichung. Die Lastlinie 301 ist identisch zur Lastlinie 102 aus Fig. 2, die die representa tive Lastlinie des Vervielfacherteils der Schaltung F1 ist, ohne daß der Serienwiderstand Rs in der Schaltung enthalten wäre. Lastlinie 302 zeigt die sich ergebende Verlagerung der Lastlinie 301, wenn der Wert für X mit 2 gewählt wird. In diesem Fall ist es ersichtlich, daß die Lastlinie 302 immer noch Betriebsbedingungen herbeiführt, die außerhalb der si cheren Betriebszone liege. Die Lastlinie 303 ergibt sich, wenn der Wert für X mit 4 gewählt wird, wodurch man eine na hezu gerade Linie erhält, die einen Maximumstrom von 200 Mi kroampere erreicht. Die Lastlinie 304 spiegelt eine Lastlinie wider, die sich ergibt, wenn der Wert für X mit 6 gewählt wird, wodurch sich ebenfalls eine nahezu gerade Linie ergibt, die innerhalb der sicheren Betriebszone liegt.

Der Graph aus Fig. 3 zeigt, daß mit Zunahme des Wertes von X die resultierende Lastlinie sich nach unten und in Richtung der sicheren Betriebszone verschiebt. Der Graph zeigt eben falls, daß der Wert von X gleich 4 oder größer genügt, um den Betrieb vollständig innerhalb der sicheren Betriebszone zu zwingen.

Das Zugeständnis, das erbracht werden muß, wenn der Wert Rs zunimmt, ist eine Zunahme des Energieverbrauchs in dem elek trostatischen Schaltkreis. Es ist daher günstig, den klein sten Wert für Rs zu wählen, der mit dem Betrieb überein stimmt, der vollständig innerhalb der sicheren Betriebszone liegt. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß dies durch die Lastli nie 303 erzielt wird, die ihrerseits durch eine Wahl des Wer tes für X gleich 4 erhalten wird. Daraus wird die oben be zeichneten Gleichung optimiert und kann wie nachfolgend wie dergegeben werden.

Während des Betriebs wird der für Rs gewählte Wert durch Mes ser der Spitze-Spitze-Spannung (Vp-p) bestimmt, die am Input des Vervielfacher-Schaltkreises anzulegen ist; dann ist die Anzahl der Stufen der Vervielfachung zu bestimmen, die in dem Spannungsvervielfacher-Schaltkreis vorgesehen sind. Der Wert Isc ist abhängig von dem Farbtyp und dem Lösungsmitteltyp, die in Verbindung mit der betrachteten elektrostatischen Sprühpistole verwendet werden. Er liegt aber üblicherweise im Bereich zwischen 200-220 Mikroampere. Für vernünftige sichere Betriebsbestimmungen sollte der Isc-Wert gleich 220 Mikroam pere gesetzt werden. Wenn diese Werte in die oben genannte Gleichung eingesetzt werden, ist der Wert für Rs leicht zu bestimmen und ein Widerstand dieser Größe sollte in Reihen schaltung in der Spannungsvervielfacher-Schaltung eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Auswählen eines optimalen Reihen- Strombegrenzungswiderstands in einer Hochspannungs- Schaltung vom Cockroft-Walton-Typ, insbesondere zum Verhindern von Funkenbildung in einer flüchtigen Atmo sphäre, die beim Betrieb von elektrostatischen Farb sprühsystemen auftritt, mit den folgenden Schritten:

a) Messen des Spitze-Spitze-Spannungseingangs in die Cockroft-Walton-Schaltung;
b) Bestimmen der Anzahl der Spannungsvervielfacherstu fen in der Cockroft-Walton-Schaltung;
c) Bestimmen des maximal zulässigen Kurzschlußstroms durch die Schaltung;
d) Teilen des durch Schritt a) bestimmten Werts durch das zwölffache des mit Schritt c) bestimmten Werts;
e) Multiplizieren des in Schritt d) bestimmten Werts mit eins weniger als das Vierfache des Werts be stimmt durch Schritt b); und
f) Anschließen eines Widerstands mit einem Wert, be stimmt durch Schritt e) in Reihe mit der Cockroft- Walton-Schaltung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mit Schritt c) be stimmte Wert 200 × 10^-6 Ampere beträgt.