DE4041598C1

DE4041598C1 -

Info

Publication number: DE4041598C1
Application number: DE19904041598
Authority: DE
Inventors: Egon 8501 Feucht De Huebel
Original assignee: Schering AG
Current assignee: Atotech Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1990-12-22
Filing date: 1990-12-22
Publication date: 1992-06-25
Anticipated expiration: 2010-12-23
Also published as: EP0563137A1; WO1992011401A1; CA2099008A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Hierbei ist hauptsächlich an das Gebiet des Galvanisierens gedacht, aber auch an andere Anlagen zur elektrolytischen Behandlungen von Werkstücken, z. B. an eine Elektrophorese.

Dabei bilden die zu behandelnden Teile bzw. Werkstücke üblicherweise die Kathode und sind mit der Kathodenschiene leitend verbunden. Die Kathodenschiene bildet üblicherweise den sogenannten Warenträger. Die Anoden sind an den beiden Anodenschienen angeschlossen, die sich ebenso wie die Werkstücke im Bad befinden. Die Werkstücke sind über Warenträger in das Bad absenkbar, sowie aus diesem herausnehmbar. Die Anodenschienen und die Kathodenschiene befinden sich außerhalb der Badflüssigkeit, während die mit den Anodenschienen verbundenen Anoden und die mit der Kathodenschiene verbundenen Werkstücke innerhalb der Badflüssigkeit gelegen sind. Die Anodenschienen und die Kathodenschiene haben eine Doppelfunktion, indem sie zum einen eine genügende mechanische Stabilität zum Tragen der Anoden, bzw. der Werkstücke aufweisen müssen. Außerdem sollen sie hinreichend große Querschnitte mit hoher Leitfähigkeit für die Zu- und Ableitung der in der Regel sehr hohen elektrolytischen Behandlungsströme besitzen. Wenn auch der Werkstoff Kupfer eine sehr große elektrische Leitfähigkeit hat, so ist er doch in der Regel aufgrund seiner Korrosionsanfälligkeit und auch seiner geringen mechanischen Festigkeit nicht für die Herstellung solcher Schienen geeignet. Daher wird hierfür in der Praxis aus Gründen der Kontaktsicherheit und der mechanischen Festigkeit Edelstahl bevorzugt. Dabei nimmt man den Nachteil einer wesentlich geringeren Leitfähigkeit gegenüber der von Kupfer in Kauf.

In einem Bad befindet sich eine Reihe von sogenannten parallelgeschalteten Zellen mit den elektrolytisch zu behandelnden Werkstücken. Dabei wird eine gleichmäßige Stärke der elektrolytischen Beschichtung auf allen Werkstücken, d. h. in allen Zellen angestrebt. Dies ist nur dann erreichbar, wenn der elektrolytische Strom in allen Zellen in etwa der gleiche ist, was wiederum eine entsprechende Egalisierung der Galvanisierspannungen (Zellenspannungen) für alle Werkstücke erfordert. Da nun in den Anodenschienen und auch in der Kathodenschiene Spannungsabfälle auftreten, hat dies im Verlauf der Schienen eine Veränderung der galvanotechnisch wirksamen Zellenspannung für jedes Werkstückes zur Folge, mit der Konsequenz, daß die elektrolytisch aufgetragene Schicht in ihrer Stärke bei den einzelnen Werkstück unterschiedlich groß ist. Dieser Effekt wird bei neueren Anlagen noch dadurch verstärkt, daß man zur Einsparung von Energie in elektrolytischen Bädern die Zellenspannung U_z sehr klein halten will, z. B. in der Größenordnung von 1 V. Damit machen sich durch den Spannungsabfall in den Schienen bedingt, im Millivoltbereich liegenden Differenzen in den Zellenspannungen negativ bemerkbar.

Entweder hat man den vorgenannten Nachteil bisher in Kauf genommen oder man hat versucht, dem auf verschiedene Weise abzuhelfen. So hat man die Querschnitte der Anodenschienen und der Kathodenschiene vergrößert, um unerwünschte Spannungsabfälle ΔU zu reduzieren. Oder man hat anstelle des an sich mechanisch vorteilhaften Materials Edelstahl die Schienen aus Kupfer gefertigt. Dem wurden durch die dann höheren Gewichte der Schienen und die entstehenden Kosten wirtschaftlich sehr enge Grenzen gesetzt. Bei der Verwendung von Kupfer kam noch dessen Korrosionsanfälligkeit gegen die aggresiven Elektrolyten von z. B. Galvanikbädern hinzu. In der Praxis wurden hiermit also keine oder nur nicht ins Gewicht fallende Verbesserungen erreicht. Weiter hat man versucht, die Ströme von beiden Enden der Schienen her zuzuleiten bzw. abzuführen, dies setzt gleichbleibende Übergangswiderstände der Kontaktierung an beiden Enden voraus, was aber in der Praxis nicht erreicht werden konnte. Außerdem wird hiermit der durch den jeweiligen benötigten Strom entlang der Schiene erzeugte Spannungsabfall auch nicht eliminiert, sondern auf die Hälfte verringert, d. h. spannungsabfallbedingte Fehler werden nur in einem begrenzten Umfang beseitigt. Eine diese Fehler wesentlich oder sogar ganz beseitigende Angleichung der Einzelspannungen aller Zellen und damit eine Egalisierung aller Zellenströme war nicht erreichbar.

Aus DE-OS 37 32 476 ist zwar ein Verfahren zur Angleichung der Teilströme in einem elektrolytischen Bad bekannt, wobei zur Verbesserung der Schichtdickenverteilung passive Vorwiderstände in die technologisch bedingten Teilstromkreise (Zellen) des elektrolytischen Gesamtstromkreises eingebracht wurden, so daß in der so gebildeten Serienschaltung die Größe der Teilströme von den Vorwiderständen bestimmt wurden. In DE-OS 37 32 476 werden keine näheren Angaben über Zahl und Anordnung der Anoden- und Kathodenschienen gemacht. Insbesondere wird auch keine technische Lehre dahingehend vermittelt, wo die jeweiligen Ströme in die Schienen eingespeist werden und wo sie aus den Schienen heraustreten. Der technische Offenbarungsinhalt dieser Literaturstelle beschränkt sich also auf den Einsatz der vorgenannten Vorwiderstände, wobei diese Vorwiderstände gegenüber dem technologisch bedingten instabilen elektrolytischen Teilwiderstand wesentlich größer sein sollen. Damit will man nach dem Kirchhoff'schen Gesetz erreichen, daß bei genügend großen Vorwiderständen die einzelnen Teilströme, d. h. die Zellenströme jeweils gleich groß werden. Der Einsatz so großer Widerstände bedingt bei entsprechend großen Elektrolyt-Teilströmen entsprechende Energieverluste und hohe Spannungsabfälle. Beides steht im Gegensatz zu den eingangs erläuterten Forderungen der Energieeinsparung und des Arbeitens mit Spannungen im Bereich von 1 V. Die Widerstände sind infolge der hohen Ströme in ihren Dimensionen sehr groß und damit konstruktiv nur sehr schwer einsetzbar. Außerdem sind die Kosten aus demselben Grunde nicht unerheblich. Die sich mit der gleichen Problemstellung befassende DE-OS 29 51 708 ist apparativ viel zu aufwendig.

Die Aufgaben- bzw. Problemstellung der Erfindung besteht darin, auch bei Einsatz von elektrisch schlechter als Kupfer leitenden Anoden- und Kathodenschienen, z. B. aus dem genannten Edelstahl, mit einfachen Mitteln und ohne wesentliche Energieverluste dafür zu sorgen, daß auf den einzelnen Werkstücken der Zellen eines solchen Bades jeweils die gleiche Zellenspannung wirksam wird. Dies ist eine der Voraussetzung für den angestrebten Materialniederschlag etwa gleicher Dicke auf jedem Werkstück.

Zur Lösung dieser Aufgaben- und Problemstellung ist zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, die Kombination der Merkmale a) und b₁) des Kennzeichens des Anspruches 1 vorgesehen. Die Merkmale des Abschnittes a) bewirken, daß der Stromdurchtritt durch die Anodenschienen in der Einspeiserichtung von Anode zu Anode geringer wird, da bei jeder Anode ein Teil dieses Stromes ins Bad abgeleitet wird. An der Kathodenschiene dagegen nimmt der Strom in der gleichen Richtung bis zu seinem Austritt an der anderen Seite des Bades von Werkstück zu Werkstück zu, da bei jedem Werkstück (Kathode) ihm ein entsprechender Teilstrom zufließt. Betrachtet man diese Anordnung von der einen Seite des Bades, an der sich die Einspeisungen in die Anodenschienen befinden bis zur anderen Seite des Bades, an der der Stromaustritt aus der Kathodenschiene vorgesehen ist, so hat dies, einen konstanten Querschnitt jeder der vorgenannten Schienen angenommen, in dieser Richtung an den Anodenschienen eine Verringerung des Spannungsabfalles pro Schienenlänge und an der Kathodenschiene eine Zunahme des Spannungsabfalles zur Folge. Beides kompensiert sich zumindest teilweise. Hinzu kommen die Auswirkungen des Merkmales b₁). Mit diesem Verhältnis des Querschnittes der Kathodenschiene (Q_K) zum Querschnitt der Anodenschienen (Q_A) wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Kathodenschiene die Elektrolytströme beider Anodenschienen aufnehmen und weiterleiten muß. Die Anodenschienen und die Kathodenschiene können somit aus einem gegenüber Kupfer korrosionsbeständigen und schlecht leitenden Werkstoff, z. B. Edelstahl, bestehen.

Eine alternative Lösung der o. g. Aufgaben- und Problemstellung ergibt sich durch den Gegenstand des nebengeordneten Anspruches 2. Dabei sind Oberbegriff und Merkmal a) mit den entsprechenden Abschnitten des Anspruches 1 identisch. Der Abschnitt b₂) enthält eine Querschnittserhöhung, bzw. Querschnittverringerung der Schienen, welche in etwa den sich ändernden Größen der Ströme in den Schienen entspricht und somit durch die nach dem ohmschen Gesetz in den einzelnen Teilabschnitten der Schienen bedingten Spannungsabfälle etwa zur gleichen Zellenspannung an jeder Zelle des Bades führt.

Eine weitere, nebengeordnete und alternative Lösung der vorgenannten Aufgaben- und Problemstellung ist Gegenstand des Anspruches 3. Auch hierin sind Oberbegriff und Merkmal a) mit denen von Anspruch 1 und Anspruch 2 identisch. Unterschiedlich ist das Merkmal b₃). Hierdurch erreicht man ebenfalls die Egalisierung der Elektrolytteilströme der einzelnen Zellen und damit das Ziel der Aufgabe, wobei aber die zur Literaturstelle DE-OS 37 32 476 erläuterten Nachteile vermieden sind. Hinzu kommt, daß DE-OS 37 32 476 weder die Merkmalsanordnung des Oberbegriffes noch die des Abschnittes a) der Ansprüche 1, 2 und 3 beinhaltet. Beim Merkmal b₃) kann man aber keineswegs die Widerstände beliebig hoch wählen, wie es in DE-OS 37 32 476 angegeben ist. Vielmehr muß nach dem ohmschen Gesetz die Größe dieser Widerstände mit den übrigen elektrischen Daten, insbesondere den Spannungsabfällen, der Gesamtanordnung abgestimmt werden, daß die gewünschte Egalisierung der Teilströme eintritt.

Von Vorteil können die mit den einander nebengeordneten Ansprüchen 1, 2 und 3 in den Abschnitten b₁), b₂) und b₃) angegebenen Merkmale miteinander kombiniert werden, wobei die Merkmale des Oberbegriffes und des Abschnittes a) mitbenutzt werden. Dies ist Gegenstand der Ansprüche 4 bis 7 und hat ein entsprechendes Zusammenwirken der Merkmale der Abschnitte b₁), b₂) und b₃) zur Folge.

Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen, sowie der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen, im wesentlichen schematischer Zeichnungen zu entnehmen. Dabei sind in den Zeichnungen nur diejenigen Merkmale dargestellt, die zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind:

Fig. 1: Eine Anordnung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 und 3: Anordnungen nach der Erfindung,

Fig. 4: eine prinzipielle Darstellung der Spannungsabfälle und Spannungen bei einem Stromverlauf wie er in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wobei aber die Auswirkungen der Merkmale b₁), b₂) und b₃) der Ansprüche nicht mit berücksichtigt sind,

Fig. 5: eine prinzipielle Darstellung der Erfindung mit eingetragenen Zahlen der Ströme und Spannungsabfälle bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 der Erfindung,

Fig. 6: ein Diagramm zur Erläuterung der Ausführungsform gemäß Fig. 2 und 5,

Fig. 7: eine schematische Darstellung der Ströme und Spannungsabfälle bei einer Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 8: ein weiteres Diagramm des Schienenwiderstandes in Abhängigkeit von dem Schienenverlauf,

Fig. 8a bis 8d: verschiedene Ausführungen der im Prinzip zum Diagramm nach Fig. 6 gehörenden Widerstände,

Fig. 9: eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung nach dem Stand der Technik mit einem die Gleichspannung liefernden Gleichrichter 1, zwei Anodenschienen 2 und einer Kathodenschiene 3. Wie eingangs erwähnt, befinden sich die Anodenschienen und die Kathodenschiene außerhalb der Badflüssigkeit, während die mit den Anodenschienen verbundenen Anoden und die mit der Kathodenschiene verbundenen Werkstücke innerhalb der Badflüssigkeit gelegen sind. Um die Darstellung zu vereinfachen sind, aber Anoden A₁-A_n und Werkstücke W₁-W_m nur prinzipiell in Fig. 1 und Fig. 4 angedeutet. Im übrigen sind in den Zeichnungen die Anoden und die Werkstücke symbolisch durch die alleinige Darstellung der Anodenschienen und der Kathodenschiene mit erfaßt bzw. ersetzt. Die Stromflußrichtungen in den Schienen und auch im Bad 4 sind schematisch angedeutet. Es ist ersichtlich, daß in Fig. 1 die Stromeinspeisung 5 in die Anodenschienen und der Stromaustritt 6 aus der Kathodenschiene sich auf der jeweils gleichen Seite des Bades befinden. Aus den eingangs erläuterten, mathematisch nachweisbaren Gründen bewirken die entlang der Schienen 2, 3 entstehenden Spannungsabfälle ungleiche Spannungen an den einzelnen Zellen, welche die nur schematisch angedeuteten Werkstücke W enthalten. Entsprechend den unterschiedlichen Zellenspannungen entstehen unterschiedliche Zellenströme (Teilströme) und damit Unterschiede in den Schichtstärken auf den Waren (Werkstücken) W. Ähnliche Nachteile ergaben sich bei einer nicht mehr gesondert dargestellten Ausführung nach dem Stand der Technik, bei der von der Gleichrichter- Spannungsquelle 1 her jeweils beidseitig in die Anodenschienen und Kathodenschiene eingespeist wurde.

Die Erfindung ist zunächst, wiederum schematisch, anhand der Fig. 2 und 3 dargestellt. Hierzu gibt Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung der Spannungsverhältnisse.

Gemäß Fig. 2 und 3 wird von der Gleichstromquelle 1 her der Strom in Enden der Anodenschienen 2 von einer jeweils rechts gelegenen Seite 4′ des Bades 4 her eingespeist (Ziff. 8). Er fließt dann gem. Ziff. 9 von den Anodenschienen 2 durch das Bad zur Kathodenschiene 3 und tritt aus dieser an einer Seite 4′′ des Bades aus (siehe Ziff. 10), die zur Einspeisung 8 der Anodenströme entgegengesetzt liegt. Mit anderen Worten: Die Stromeintrittsenden der Anodenschienen und das Stromaustrittsende der Kathodenschiene liegen einander entgegengesetzt.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist schraffiert der jeweilige Querschnitt der Schienen 2 und 3 angedeutet. Hieraus ergibt sich, daß der Querschnitt Q_K der Kathodenschiene 3 größer ist als der jeweilige Querschnitt Q_A jeder der Anodenschienen 2. Das Verhältnis Q_K : Q_A sollte nicht kleiner als 1,7 : 1 sein, kann jedoch, sobald es wirtschaftlich vertretbar ist, beliebig größer als 1,7 : 1 sein. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Querschnittsverhältnis von 2 : 1 ergeben. Hierzu zeigt in einem Beispiel das Diagramm gemäß Fig. 6, daß die nachstehend noch näher erläuterte relative Gleichmäßigkeit bei dem Querschnittsverhältnis von Q_K : Q_A=2 : 1 am günstigsten ist und darunter einen bald sehr schlechten Wert annimmt, darüber aber noch akzeptable Werte beibehält, wie die dargestellte Kurve im weiteren Verlauf der Abszisse zeigt.

Im Beispiel der Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung die gleiche wie im Beispiel der Fig. 2. Der Unterschied besteht darin, daß der Querschnitt der Anodenschienen 2 von den Einspeisungsstellen 8 her im weiteren Verlauf der Stromflußrichtung 12 abnimmt, d. h. der spezifische elektrische Widerstand des Querschnittes der Anodenschienen sich in Richtung 12 hin vergrößert. An der Kathodenschiene 3 ist die Anordnung so getroffen, daß in der Stromflußrichtung 13 sich die Querschnitte dieser Schiene vergrößern, d. h. der spezifische elektrische Widerstand der Querschnitte in Richtung 13 hin abnimmt. Dieser Gedanke der Erfindung ist nicht auf die in Fig. 3 dargestellte stufenförmige Änderung der Querschnitte der Schienen 2, 3 beschränkt, wie es weiter unten aus den Fig. 8 bis 8d und deren Erläuterung näher hervorgehen wird.

Fig. 4 zeigt schematisch die Anodenschienen 2 und die Kathodenschiene 3 mit den Stromeinspeisungen 8, dem Stromaustritt 10 und den Anoden A₁ bis A_n, sowie den Werkstücken W₁ bis W_m. Dabei sind die Buchstaben "n" und "m" bewußt abweichend gewählt, da die Zahl der Anoden nicht mit der Zahl der Werkstücke übereinstimmen muß. Die entsprechenden Spannungsabfälle an den Anoden sind mit ΔU_1V bis ΔU_nV bzw. ΔU_1R bis ΔU_nR bezeichnet. Die Spannungsabfälle an der Kathodenschiene von Werkstück zu Werkstück haben die Bezifferung ΔU₁ bis ΔU_m. Die Spannungen im Bad an jeder Zelle haben die Benennung U_z1V bis U_zmV bzw. U_z1R bis U_zmR. Diese Anordnung entspricht der Schaltung bzw. Stromeinspeisung und -ausspeisung nach dem Oberbegriff und dem Merkmal a) der Ansprüche, wobei aber die Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen b₁), b₂) und b₃) noch nicht berücksichtigt sind. Eine theoretische Berechnung der Anordnung nach Fig. 4 zeigt nun, daß sich dabei zwar schon eine teilweise Kompensation von spannungsabfallbedingten Fehlern ergibt, aber eine zufriedenstellende Kompensation noch nicht vorliegt. Da hier die Unterschiede der für das Galvanisieren notwendigen Zellenspannungen zu betrachten sind, entfallen alle Spannungsabfälle ΔU_m vor der ersten Ware an der Kathodenschiene (Punkt A) und ΔU_1V bzw. ΔU_1R nach der ersten Anode an der Anodenschiene (Punkt B). Die wirksame Badspannung U_{Bad V} für die Vorderseite V und die Rückseite R der Ware liegt somit jeweils zwischen der Stelle A und den Stellen B an. Jeder der in Fig. 4 gezeichneten jeweils vier Strompfade von A nach B hat unterschiedliche Spannungsabfälle auf den Schienen. Die Summe der Spannungsabfälle jedes Strompfades plus die zugehörige Zellenspannung U_z ist für die zu betrachtende Strecke A bis B gleich. Sie ist definitionsgemäß U_{Bad V} für die Vorderseite der Ware und U_{Bad R} für die Rückseite. Mathematisch drückt sich dies wie folgt aus:

U_zmV=U_{Bad V}-ΔU_2V-ΔU_3V-ΔU_nV;
U_z3V=U_{Bad V}-ΔU_2V-ΔU_3V-ΔU₃;
U_z1V=Z_{Bad V}-ΔU₁-ΔU₂-ΔU₃;
ΔU_nV<ΔU₃ und
ΔU_3V≈ΔU₂ (symmetrischer Spezialfall) und
ΔU_2V<ΔU₁

hieraus folgt: U_zmVU_z3VU_z1V;

Mit einem Zahlenbeispiel an Hand der in Fig. 5 eingetragenen Spannungen soll dies belegt werden. Mit U_Bad=1,4 Volt ergeben sich folgende Gleichungen:

U_Bad=1,4 V=U_z1V+285 mV;
1,4 V=95 mV+U_z2V+266 mV;
1,4 V=171 mV+U_z3V+228 mV;
1,4 V=228 mV+U_z4V+171 mV;
1,4 V=266 mV+U_z5V+95 mV;
1,4 V=285 mV+U_z6;

damit:

U_z1V=1,4 V-0,285 V=1,115 V=U_{z max}
U_z2V=1,4 V-0,361 V=1,039 V
U_z3V=1,4 V-0,399 V=1,001 V=U_{z min}
U_z4V=1,4 V-0,399 V=1,001 V
U_z5V=1,4 V-0,361 V=1,039 V
U_z6V=1,4 V-0,285 V=1,115 V

das heißt

U_z1VU_z2VU_z2V
U_z4VU_z5VU_z6V;
U_z1V=U_z6V
U_z2V=U_z5V
U_z3V=U_z4V

Gleiches gilt für die Zellenspannungen der Rückseite der Waren:

Fig. 5 zeigt nun bei einem Querschnittsverhältnis der Kathodenschiene zu den Anodenschienen gemäß Fig. 2 und Merkmal b₁) der Ansprüche schematisch (ohne die einzelnen Stromzuführungen) die Anodenschienen 2 und die Kathodenschiene 3 mit den Stromeinspeisungen 8 der Anodenströme I_A auf der rechten Badseite und den Stromaustritt 10 der Kathodenschienenstromes I_K auf der linken Badseite. Hierbei ist ein Verhältnis von Q_K : Q_A von 2 : 1 angenommen. Die jeweiligen Ströme und Spannungsabfälle sind in ihren Zahlen anhand eines mit in erster Näherung zulässigen Vereinfachungen durchgerechneten Beispieles eingetragen. Dabei sind 14 die Beträge der Spannungsabfälle an einer Anodenschiene und 15 die Beträge der Spannungsabfälle an der Kathodenschiene.

Zur Beurteilung der Wirksamkeit der verschiedenen Schienenanordnungen wird die Vergleichsgröße γ eingeführt. Der Wert γ errechnet sich aus der maximalen Differenz der Zellenspannungen bezogen auf die minimale Zellenspannung.

γ ist die relative Ungleichmäßigkeit. Bei einseitiger Einspeisung nach dem Stand der Technik (Fig. 1) ergibt sich z. B. mit den bevorzugt aus Edelstahl bestehenden Schienen von jeweils gleichem Querschnitt, d. h. der Querschnitt Q_K der Kathodenschiene ist gleich dem Querschnitt Q_A jeder der Anodenschienen, ein Wert für γ=85%.

Bei gleichen Parametern aber mit dem Merkmal b1, wobei das Querschnittsverhältnis Q_K : Q_A der Schienen gleich 2 : 1 ist, und mit gegenläufiger Einspeisung nach Fig. 2 reduziert sich γ wie nachfolgend berechnet auf 11,4%.

Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist man also bereits dem Idealwert von γ=0 wesentlich näher gekommen, als es beim Stand der Technik möglich war.

Fig. 6 zeigt im vorstehenden Zusammenhang ein Diagramm für das letztgenannte Beispiel, wobei die Ordinate die Ungleichmäßigkeit γ gemäß der o. g. Formel darstellt. Auf der Abszisse ist das Querschnittsverhältnis Q_K : Q_A aufgetragen. Die Kurve zeigt, daß sich bei einem Querschnittsverhältnis Q_K : Q_A von 2 : 1 zwar noch nicht der Idealwert von γ=0 einstellt, daß aber auch oberhalb dieses Wertes des Kurvenverlauf 16 akzeptable Werte von γ vorliegen, während der andere Kurvenast bei Werten von etwa 1,7 : 1 und tiefer einen ungünstigen Verlauf einnimmt.

Fig. 7 zeigt eine Darstellung ähnlich wie in Fig. 5 der Spannungsabfälle und Ströme eines Zahlenbeispieles bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anordnung nach den Fig. 2 und 3. D. h. es ist sowohl das Querschnittsverhältnis Q_K : Q_A=2 : 1 gewählt (Fig. 2), als auch eine Veränderung der Widerstandswerte der Schienen in ihrer Längsrichtung gemäß Fig. 3.

Mit U_Bad=1,4 V ergeben sich folgende Gleichungen:

U_Bad=1,4 V-U_z1V+400 mV
1,4 V=95 mV+U_z2V+304 mV
1,4 V=171 mV+U_z3V+228 mV
1,4 V=228 mV+U_z4V+171 mV
1,4 V=304 mV+U_z5V+95 mV
1,4 V=400 mV+U_z6V;

damit:

U_z1V=1,4 V-0,400 V=1,000 V=U_{z min}
U_z2V=1,4 V-0,399 V=1,001 V=Z_{z max}
U_z3V=1,4 V-0,399 V=1,001 V
U_z4V=1,4 V-0,399 V=1,001 V
U_z5V=1,4 V-0,399 V=1,001 V
U_z6V=1,4 V-0,400 V=1,000 V

das heißt:

U_z1V≈U_z2V=U_z3V=U_z4V=U_z5V≈U_z6V;

Gleiches gilt für die Zellenspannungen der Rückseite der Waren.

Die relative Ungleichmäßigkeit beträgt

Fig. 7 zeigt also, daß die Kombination der Querschnittsverhältnisse der Schienen gemäß Fig. 2 mit der Widerstandsänderung im Schienenverlauf gemäß Fig. 3 und dies in Verbindung mit den dargestellten Stromrichtungen bzw. Stromeinspeisungen und Stromaustritten gemäß Ziffer a der Ansprüche eine optimale Angleichung der Zellenspannungen ergibt.

Ferner zeigen die vorstehenden Darlegungen, daß bereits bei Verwendung der Merkmale des Anspruchs 1 oder der des Anspruches 2 sich jeweils auch gegenüber dem Stand der Technik wesentlich bessere Werte ergeben, da in beiden Fällen die Spannungsabfälle ΔU an den Anodenschienen und der Kathodenschiene gegenüber dem Stand der Technik definiert verändert werden mit dem Ergebnis einer Annäherung der Beträge aller Zellenspannungen U_z1V bis U_zmV, sowie U_z1R bis U_zmR. Wenn auch der Idealfall einer solchen Annäherung beim Wert der relativen Ungleichmäßigkeit γ=0% liegt, so erfaßt, wie dargelegt, die Erfindung auch Anordnungen mit davon abweichenden Werten, wie es z. B. anhand der Fig. 2 und 5 beispielhaft dargelegt wurde. Im übrigen erfolgt auch eine wesentliche Verbesserung des Wertes γ, wenn man das Beispiel der Fig. 3 und 7 für sich nimmt (Anspruch 2). Dies geschieht dadurch, daß die Widerstandsänderung an den Anodenschienen eine Anhebung der Spannungsabfälle an den einspeisungsfernen, in den Zeichnungen jeweils links gelegenen Schienenenden bewirkt, dagegen an der Kathodenschiene eine Anhebung der Spannungsabfälle am austrittsfernen Schienenende zur Folge hat, das in den Zeichnungen jeweils rechts gelegen ist. Dies ergibt sich aus der Erhöhung der Schienenwiderstände in den angegebenen Bereichen. Fig. 8 zeigt hierzu ein prinzipielles Diagramm der Änderung des Schienenwiderstandes R im Verlauf der Schienenlänge L, wobei die Richtung der Abszisse sich aus den vorstehenden Darlegungen zu den Fig. 3 und 7 und insbesondere aus der schematischen Widerstandsdarstellung in Fig. 3 ergibt.

Wie bereits erwähnt können die Anodenschienen 2 und die Kathodenschiene 3 aus einem Edelstahl, z. B. einem V2A-Stahl bestehen. Es empfiehlt sich in diesem Fall, daß das die jeweilige Kontaktgabe mit der Anodenschiene durchführende Teil der Anlage eine Kontaktfläche aus dem gleichen Edelstahl besitzt, bzw. insgesamt aus dem gleichen Edelstahl hergestellt ist.

Die Fig. 8a bis 8d beinhalten in der Praxis mögliche und vorteilhafte Ausführungsformen der Ausgestaltung der Schienen 2, 3 zur Erzielung der erläuterten unterschiedlichen Widerstandswerte über die Schienenlänge. So zeigt Fig. 8a, daß die Schiene im Bereich hohen Widerstandes mit einer größeren Anzahl Bohrungen oder sonstigen Ausnehmungen 16 versehen ist, als in Abschnitten geringeren Widerstandes. Fig. 8b zeigt eine sich in ihrer Längsrichtung im Querschnitt kontinuierlich ändernde Schiene, während Fig. 8c und 8d Schienenausführungen zeigen, deren spezifischer Widerstandswert sich in Schienenlängsrichtung abgestuft (17) verringert. Dabei ist Fig. 8c eine in sich einstückige Schiene und Fig. 8d zeigt eine aus entsprechenden Lamellen 18, 19 zusammengesetzte Schiene. Insbesondere die Ausführung nach Fig. 8a zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus. Die Sandwich-Bauweise nach der Fig. 8d kann vorteilhafterweise so ausgestaltet werden, daß die längste, in der Zeichnung untere Schicht oder Lamelle 18 aus einem mechanische sehr festen Edelstahl besteht, während die darüber befindlichen, kürzeren Schichten oder Lamellen 19 aus Kupfer sind, d. h. aus einem Material sehr hoher Leitfähigkeit. Es ist ferner ersichtlich, daß durch Änderungen der Gestaltung der vorgenannten Schienenbeispiele gemäß

Fig. 8a bis 8d man die jeweils gewünschte Widerstandskurve (Widerstandsverlauf über Schienenlänge) gemäß Fig. 8 erreichen kann.

Fig. 9 zeigt in einer Detaildarstellung nur eine der Schienen 2, bzw. 3 mit Zuleitungen 20 zu den Werkstücken 7 bzw. den Anoden A₁ bis A_n. Im Verlauf dieser Zuleitungen sind ohmsche Widerstände R1, R2, R3 usw. vorgesehen, deren Widerstandswerte relativ klein sind, so daß sich an ihnen bei den auftretenden Strömen Spannungsabfälle ergeben, die lediglich im Millivoltbereich liegen. Diese Widerstände werden so gewählt, daß unter Berücksichtigung der Spannungsabfälle in den Anodenschienen, der Kathodenschiene und an den Anoden und Werkstücken selber die jeweiligen Zellenspannungen einander gleich werden, oder zumindest Werte erreichen, die sich sehr aneinander annähern. Man kann also durch gezielte Änderungen dieser Widerstände R1 usw. einerseits die gewünschte Änderung der Zellenspannungen im Sinne deren Angleichung erreichen, wobei aber aufgrund der sehr geringen Widerstandswerte keine ins Gewicht fallende Verlustleistung in Kauf genommen werden müssen.

Wie bereits erwähnt kann eine Anordnung nach Fig. 9, die dem Merkmal b₃) des Anspruches 3 entspricht auch mit den Merkmalen b₁) (Fig. 2 und 5) und/oder b₂) (Fig. 3 und 7) kombiniert werden, wobei aber die Prinzipanordnung gemäß Fig. 4 (Oberbegriff und Merkmal a der Ansprüche) beibehalten ist.

Sofern die gewünschte Annäherung bzw. Egalisierung der Werte der Zellenspannungen erreicht wird, liegt es im Bereich der Erfindung, die zum Stand der Technik erläuterten, spannungsabfallbedingten Fehler auch innerhalb der vorgenannten Grenzen zu überkompensieren.

Claims

1. Anordnung bei einer zur elektrolytischen Behandlung von Werkstücken dienenden Anlage, deren Bad zwei Anodenschienen aufweist, die je mit einer Reihe in ihrer Längsrichtung hintereinander angeordneten Anoden elektrisch verbunden sind, wobei ferner eine Kathodenschiene vorgesehen ist, die mit in ihrer Längsrichtung hintereinander angeordneten, elektrolytisch zu behandelnden Werkstücken elektrisch verbunden ist, und wobei ferner Maßnahmen mit dem Ziel der Vergleichmäßigung der Schichtdickenverteilung auf den Werkstücken der einzelnen Zellen eines solchen Bades vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) einen Anschluß der Anodenschienen (2) und der Kathodenschiene (3) an die Gleichstromquelle (1) derart, daß die Einspeisungen (8) der Ströme (I_A) in die beiden Anodenschienen (2) an derselben Seite (4′) des Bades (4) erfolgt, damit diese Ströme in den Anodenschienen zueinander gleichgerichtet sind und jeweils ins Bad austreten (9), daß die Stromeinspeisung in die Kathodenschiene (3) aus dem Bad geschieht und der Stromaustritt (10) aus der Kathodenschiene an der Seite (4′′) des Bades erfolgt, die zu der erstgenannten Seite (4′) der Anodenstromeinspeisungen (8) entgegengesetzt liegt, und
b₁) daß die Querschnitte (Q_A) jeder der Anodenschienen (2) einander gleich sind und daß der Querschnitt (Q_K) der Kathodenschiene (3) sich zum Querschnitt (Q_A) jeder der Anodenschienen zumindest wie 1,7 : 1,0 oder größer verhält.

2. Anordnung bei einer zur elektrolytischen Behandlung von Werkstücken dienenden Anlage, deren Bad zwei Anodenschienen aufweist, die je mit einer Reihe in ihrer Längsrichtung hintereinander angeordneten Anoden elektrisch verbunden sind, wobei ferner eine Kathodenschiene vorgesehen ist, die mit in ihrer Längsrichtung hintereinander angeordneten, elektrolytisch zu behandelnden Werkstücken elektrisch verbunden ist, und wobei ferner Maßnahmen mit dem Ziel der Vergleichsmäßigung der Schichtdickenverteilung auf den Werkstücken der einzelnen Zellen eines solchen Bades vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) einen Anschluß der Anodenschienen (2) und der Kathodenschiene (3) an der Gleichstromquelle (1) derart, daß die Einspeisungen (8) der Ströme (I_A) in die beiden Anodenschienen (2) an derselben Seite (4′) des Bades (4) erfolgt, damit diese Ströme in den Anodenschienen zueinander gleichgerichtet sind und jeweils ins Bad austreten (9), daß die Stromeinspeisung in die Kathodenschiene (3) aus dem Bad geschieht und der Stromaustritt (10) aus der Kathodenschiene an der Seite (4′′) des Bades erfolgt, die zu der erstgenannten Seite (4′) der Anodenstromeinspeisungen (8) entgegengesetzt liegt und
b₂) daß der ohmsche Widerstand pro Längeneinheit der Anodenschienen (2) in Richtung (12) der Stromeinspeisung (8) zunimmt und der ohmsche Widerstand pro Längeneinheit der Kathodenschiene (3) in Richtung (13) des Stromaustrittes (10) abnimmt.

3. Anordnung bei einer zur elektrolytischen Behandlung von Werkstücken dienenden Anlage, deren Bad zwei Anodenschienen aufweist, die je mit einer Reihe in ihrer Längsrichtung hintereinander angeordneten Anoden elektrisch verbunden sind, wobei ferner eine Kathodenschiene vorgesehen ist, die mit in ihrer Längsrichtung hintereinander angeordneten, elektrolytisch zu behandelnden Werkstücken elektrisch verbunden ist, und wobei ferner Maßnahmen mit dem Ziel der Vergleichmäßigung der Schichtdickenverteilung auf den Werkstücken der einzelnen Zellen eines solchen Bades vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) einen Anschluß der Anodenschienen (2) und der Kathodenschiene (3) an die Gleichstromquelle (1) derart, daß die Einspeisungen (8) der Ströme (I_A) in die beiden Anodenschienen (2) an derselben Seite (4′) des Bades (4) erfolgt, damit diese Ströme in den Anodenschienen zueinander gleichgerichtet sind und jeweils ins Bad austreten (9), daß die Stromeinspeisung in die Kathodenschiene (3) aus dem Bad geschieht und der Stromaustritt (10) aus der Kathodenschiene an der Seite (4′′) des Bades erfolgt, die zu er erstgenannten Seite (4′) der Anodenstromeinspeisungen (8) entgegengesetzt liegt und
b₃) daß zwischen der jeweiligen Anodenschiene (2) und den an sie elektrisch angeschlossenen Anoden (A₁-A_n) ohmsche Widerstände (R₁-R_n) mit einem solchen Widerstandswert eingebaut sind, daß unter Angleichung der Werte der über die Anoden fließenden Ströme an jeder Zelle etwa die gleiche Zellenspannung anliegt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmalsgruppen a), b₁) und b₂).

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmalsgruppen a), b₁) und b₃).

6. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmalsgruppen a), b₂) und b₃).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmalsgruppen a), b₁), b₂) und b₃).

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 4, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Kathodenschienenquerschnittes (Q_K) zu dem Querschnitt (Q_A) jeder der Anodenschienen 2 : 1 beträgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 4, 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Anodenschienen (2) sich in der Richtung (12) der Stromeinspeisung (8) durch unterschiedlich große Ausnehmungen, wie Bohrungen, verkleinert.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 4, 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kathodenschiene (3) sich in der Richtung (13) des Stromaustrittes (10) durch unterschiedlich große Ausnehmungen, wie Bohrungen, vergrößert.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 4, 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der jeweiligen Schiene (2, 3) sich in der jeweils angegebenen Richtung in Stufen (17) verkleinert bzw. vergrößert.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Zahl und Position der Stufen mit Zahl und Position der Anoden übereinstimmt.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungen (17) durch einzelne Lagen oder Schichten (18, 19) erzielt werden, welche miteinander verbunden die Schiene bilden.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die längste Schicht (18) aus einem mechanisch festen Edelstahl besteht, während die übrigen, demgegenüber kürzeren Schichten oder Lagen (19) aus einem elektrisch hochleitenden Material, wie Kupfer, hergestellt sind.