DE69830609T2

DE69830609T2 - Verfahren und vorrichtung zur neutralisierung einer elektrostatisch geladenen oberfläche

Info

Publication number: DE69830609T2
Application number: DE69830609T
Authority: DE
Inventors: J. Ira PITEL; Mark Blitshteyn; Petr Gefter
Original assignee: Ion Systems Inc
Current assignee: Ion Systems Inc
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2018-10-29
Also published as: EP1031259A4; TW432901B; DE69830609D1; EP1031259B1; EP1031259A1; JP2001523037A; AU1367399A; US6088211A; US5930105A; WO1999025160A1

Description

Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorsehen von positiven und negativen Ionen zur Steuerung einer Oberflächenladung, beispielsweise auf feststehenden Objekten und auf kontinuierlich bewegten Bahnen aus nichtleitendem Material.
Hintergrund der Erfindung
Bei vielen industriellen Arbeitsschritten treten statische Ladungen auf, die sich auf Erzeugnissen bilden, wodurch sich unerwünschte Kontamination durch Partikel, unerwünschte Bewegung oder andere unerwünschte physikalische Wirkungen ergeben, die die Erzeugnisse betreffen. Bei der Aufbereitung kontinuierlicher Filme aus Kunststoff-Schichtmaterialien laufen zugbelastete Strecken nichtleitender Kunststofffilme schnell über eine oder mehrere Walzen, wodurch sich eine wesentliche Menge mikrostatischer Ladungen ansammelt, die daraufhin Oberflächen-Fremdkörper anzieht und ein kompaktes Bilden enger Aufwickelrollen verhindert, Oberflächen-Beschichtungsprozesse behindert und auf sonstige Weise die korrekte Verarbeitung der Filme stört. Üblicherweise werden Luftionisierer nahe solcher fortlaufenden Bahnen zum Liefern positiver und negativer Ionen angeordnet, um die statische Ladung auf dem Bahnmaterial im wesentlichen zu neutralisieren. Diese Luftionisierer umfassen üblicherweise zugespitzte Ionisierungselektroden und werden mit Spannung von mehreren kV betrieben, die über stark isolierte Kabel von entfernt gelegenen Generatoren aus versorgt werden, die getrennt von der sich bewegenden Bahn angeordnet sind. Bei großen Industrieanwendungen können solche Bahnen einige Fuß breit (1 Fuß = 0,3 m) sein, mit großen Längsgeschwindigkeiten arbeiten und hinsichtlich des Betrags der statischen Ladung, die zu jedem gegebenen Zeitpunkt oder an jeder Stelle entlang der sich bewegenden Bahn Neutralisierung erfordert, eine große Streuung ausprägen.
Typischerweise sind zur Neutralisierung der sich bewegenden Bahn Ionenströme von 0,0039 μA bis 3,9 μA pro Längs-cm (0,1 bis 10 μA pro Längs-Zoll) der sich bewegenden Bahn erforderlich. Die Bahnen können hinsichtlich ihrer Breite von einigen Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) bis 20 Fuß (6,1 m) variieren. Dies erfordert, daß die Generatoren, die solche Ionisierer versorgen, einen Ausgangsstrom von ungefähr 1–5 mA bei Spannungsniveaus von ungefähr 3–15 kV leisten können.
Es sind zahlreiche Typen elektrischer Luftionisierer verfügbar, um statische Ladungen auf sich schnell bewegenden Bahnen zu steuern. Die Ionisierer, die mit Wechselspannungen bei der Netzfrequenz von 50–60 Hz arbeiten, sind insbesondere zur wirksamen Neutralisierung bei angemessenen Kosten geeignet. Die Netz-Wechselspannung bei der Netzfrequenz wird an einen Hochspannungstransformator angelegt, dessen sekundäre Windung ungefähr 4 kV bis 10 kV Wechselspannung bei Netzfrequenz erzeugt. Diese sekundäre Spannung wird an die Ionisierungselektroden angelegt, die gemeinsam innerhalb einer geerdeten Metalleinfassung angeordnet sind, die Öffnungen aufweist, durch die sich die Elektroden erstrecken. Dadurch wird nahe der Elektroden ein sehr starkes elektrisches Feld erzeugt, um Corona-Entladungen zu erzeugen.
Die Corona-Entladung wird verwendet, um in der umgebenen Luft positive und negative Ionen zu erzeugen.
Diese konventionellen Wechselstrom-Luftionisierer sehen alternierende Mengen positiver und negativer Ionen um die Ionisierungselektroden herum vor, die mit geringem Abstand nahe der sich bewegenden Bahn angeordnet sind. Solche Ionen wandern durch die elektrische statische Anziehung zur entgegengesetzt geladenen Bahn, um die statische Ladung auf der Bahn zu neutralisieren. Jedoch zieht die Bahn die notwendigen Ionen der erforderlichen Polarität an und die überschüssigen Ionen kehren zu den Elektroden oder der geerdeten Umfassung zurück. Im Falle von im wesentlichen neutralen oder ungeladenen Bahnen fließen wegen der Abwesenheit eines elektrischen Feldes keine Ionen auf die Bahn. Der Betrieb in dieser Weise sieht einen Zustand des Selbstausgleichs vor, und die nach der Neutralisierung verbleibende Oberflächenladung führt im allgemeinen nicht zu einer Überkompensation der anfänglichen Ladung auf der Bahn. Jedoch ergibt sich in diesem Prozeß durch die Ionenwanderung zurück zur Elektrode ein deutlicher Verlust an erzeugten Ionen, wenn sich die Polarität der Wechselspannung umkehrt. Die darauffolgende Ionenrekombination mit den Elektroden hin terläßt weniger Ionen, die zur Neutralisierung statischer Ladung auf der sich bewegenden Bahn zur Verfügung stehen, und verringert im allgemeinen die Effizienz solcher Ionisierer. Bestimmte bekannte Wechselstrom-Luftionisierer verwenden zwei Dioden, die mit dem Ausgang der Hochspannungstransformatoren verbunden sind, um Ströme der entgegengesetzten Richtungen zu leiten, und dienen daher als Halbwellengleichrichter für die Hochspannungen, die durch diese Dioden an die Ionisierungselektroden entgegengesetzter Polaritäten geliefert werden. Die Elektroden sind nahe beieinander angeordnet, um das Erzeugen des intensiven elektrischen Feldes, das zur Ionisierung notwendig ist, zu unterstützen. Diese Anordnung verhindert, daß die Elektroden ihre jeweilige Polaritäten ändern, wodurch der Verlust an Ionen reduziert wird, die zurück zu den Elektroden wandern, welche die Ionen erzeugen. Bei Ionisierern diesen Typs werden Ionen einer Polarität angezogen, die während einer Halbwelle um eine Elektrode herum erzeugt werden, und werden an der anderen Elektrode der entgegengesetzten Polarität während des darauffolgenden Halbzyklus neutralisiert, wodurch sich der Selbstausgleichs-Betrieb ergibt, wenn eine Bahn keine statische Ladung trägt, um Ionen anzuziehen. Alle diese konventionellen Ionisierer benötigen stark isolierte Verkabelungen zwischen den Ionisierungselektroden und den Hochspannungstransformatoren, die wegen der großen Abmaße und des hohen Gewichts solcher Transformatoren entfernt von den Elektroden befestigt sind.
Ein weiteres Problem bei solchen üblichen Wechselstrom-Ionisierern liegt darin, daß diese im allgemeinen die Ionenströme nicht messen und überwachen können, ohne komplexe externe Sensoren und Schaltungen zu verwenden. Diese Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß das an den Elektroden angelegte alternierende Potential kapazitiv mit dem elektrisch geerdeten Komponenten des Ionisierers und des Generators koppelt, und so einen bedeutenden kapazitiven Strom erzeugt, der eine andere Phase aufweist und den Ionenstrom deutlich übersteigen kann. Als Folge ist die Rückkopplungssteuerung von Wechselstrom-Hochspannungs-Ionisierern sehr schwierig und die Fähigkeit, positive und negative Ausgangsspannungen in den Wechselstrom-Ionisierern selektiv und unabhängig zu steuern, kann nur unter Verwendung von komplexeren und teueren Generatorschaltungen erreicht werden.
Andere bekannte Luft-Ionisierer des gepulsten Bipolar-Gleichstromtyps lösen die Problematiken der Größe und des Gewichts durch Verwendung von Wechselrichter-Generatoren geringer Baugröße, die bei hohen Frequenzen arbeiten. Gepulste Bipolar-Gleichstrom-Ionisierer können den Ionisierungsstrom detektieren, ohne komplexe externe Sensoren und zugehörige Schaltungen zu verwenden. Beispielsweise kann der Spannungsabfall an einem Masserückschluß-Widerstand, über den ein Fluß elektrischer Ladungen von der Ionisierungselektrode weg geleitet wird, gefühlt werden, um eine Angabe vorzusehen, die dem Ionisierungsstrom entspricht. (Vgl. beispielsweise die in dem Patent US 4,809,127 beschriebene Vorrichtung). Jedoch überwacht diese Vorrichtung nur ihre eigenen inneren Parameter und reagiert im allgemeinen nicht auf Ladungsniveaus auf einer sich bewegenden Bahn oder auf anderen Erzeugnissen. Diese Ansätze, gepulste Gleichspannungen positiver und negativer Polarität zu verwenden, die getrennte Ionisierungselektroden versorgen, sind ferner dafür bekannt, daß sie den Verlust von zu den Elektroden zurückgerichteten Ionen verhindern, indem zum einen die Elektroden räumlich getrennt werden und zum anderen nur eine Elektrode gleichzeitig betrieben wird, wodurch die Ionisierungseffizienz verbessert wird. Jedoch sind solche Ansätze hinsichtlich der Impulswiederholungsfrequenz wegen der Anstiegs- und Abklingzeiten der Impulse entgegengesetzter Polarität beschränkt, die dazu neigen, sich bei hohen Umschalteraten zu überlappen. Solche Ionisierer sind üblicherweise dafür vorgesehen, bei langsamen Umschalteraten zu arbeiten, typischerweise maximal 5 Hz, um es den Ionen zu ermöglichen, von dem Ionisierer (der üblicherweise mehrere Fuß über der zu neutralisierenden Oberfläche installiert ist) wegzutreiben, bevor die Elektrode der entgegengesetzten Polarität aktiv wird und die in dem vorhergehenden Zyklus erzeugten Ionen zurückzieht. Solche Ionisierer erfordern im allgemeinen relativ große Abstände zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität (beispielsweise 7,6 cm–30,5 cm, (3 Zoll–12 Zoll). Üblicherweise beschränken die Einschränkungen hinsichtlich der Schaltungsausgestaltung die Wechsel-Umschalterate der positiven und negativen Generatoren auf ungefähr 5 Wechsel pro Sekunde. Durch diese niedrige Frequenz ist die gepulste Gleichstromtechnik zur Neutralisierung von Oberflächenladungen auf schnell bewegten Bahnen nicht geeignet. Eine weitere Beschränkung dieser gepulsten Gleichstrom-Ionisierer liegt in der geringen Ausgangsleistung der Hochspannungsgeneratoren, die für Raum-Ionisierungszwecke geeignet ist, jedoch für die Neutralisierung von Oberflächenladungen auf schnell bewegten Bahnen üblicherweise nicht ausreichend ist.
Es wurde erkannt, daß Luft-Ionisierer, die mit bi-stationären Gleichstrom-Hochspannungsversorgungen arbeiten, nur beschränkt zur Neutralisierung von Oberflächenladungen auf bewegten Bahnen verwendet werden können. Dies ergibt sich aus der Schwierigkeit, die ausgewogene Erzeugung positiver und negativer Ionen zu steuern, und durch die Neigung solcher Ionisierer, die Oberfläche zu laden, anstatt die Oberflächenladungen zu neutralisieren. Obwohl es möglich ist, ausgeglichene Ionisierungen mit bi-stationären Gleichspannungs-Ionisierern zu erreichen, ergeben sich im Vergleich zu Wechselstrom-Ionisierern wesentlich höhere Kosten. Geräte des oben beschriebenen Typs sind in der Literatur offenbart (vgl. beispielsweise Patent US 5,432,454 ).
Abriß der Erfindung:
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zwei Hochspannungs-Generatoren betrieben, um positive oder negative Spannungen von ungefähr 3–15 kV zu erzeugen. Die positive Hochspannung und die negative Hochspannung werden an jeweilige getrennte Elektroden geliefert, die in geringer Entfernung der Erzeugnisse (beispielsweise eine sich bewegende Bahn) angeordnet sind, das mit Luftionen ionisiert werden soll. Die Generatoren, die Hochspannungen vorbestimmter Polarität an die jeweiligen Elektroden liefern, umfassen Masse-Rückpfade, durch die elektrische Ladungen mit einer Polarität, die derjenigen der Elektroden entgegengesetzt ist, von den Generatoren mit einer Rate weg geführt werden, die den Raten der Luftionenerzeugung durch die entsprechenden Elektroden entspricht. Ferner werden die jeweiligen Masse-Rückpfade der zwei Hochspannungs-Generatoren mit einem Summierungs-Knotenpunkt und einer zugehörigen Meßschaltung verbunden.
Gemäß der dargestellten Ausführung der vorliegenden Erfindung verhalten sich die positiven Elektroden als elektrische Potentialreferenz für die negativen Elektroden, die nahe diesen angeordnet sind, und die negativen Elektroden verhalten sich als elektrische Potentialreferenz für die positiven Elektroden, um das gewünschte intensive elektrische Feld zu erzeugen, das zur Luftionisierung notwendig ist. Wenn die Ionisierungselektrode einer Polarität in geringer Entfernung zu einer Elektrode der entgegengesetzten Polarität angeordnet ist und der Potentialunterschied zwischen den Elektroden ausreichend ist, fließt im wesentlichen der gesamte Ionenstrom von den positiven Elektroden zu den negativen Elektroden, und der im wesentlichen gesamte von den negativen Elektroden stammende Ionenstrom fließt bei Abwesenheit eines externen elektrostatischen Feldes (oder wenn nur ein schwaches Feld vorliegt) von einer geladenen Oberfläche in der unmittelbaren Nähe der Ionisierungselektroden an die positiven Elektroden. Wenn daher in der Nähe der Ionisierungselektroden im wesentlichen keine externen elektrostatischen Felder vorliegen, die von einer geladenen Oberfläche, beispielsweise einer sich bewegenden Bahn, stammen, fließt im wesentlichen der gesamte Ionenstrom zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität, und die Gleichstromkomponente des Stroms in dem System-Masserückpfad ist im wesentlichen gleich Null. Wenn die Bahn je doch Oberflächenladungen trägt, verursacht das damit verknüpfte elektrostatische Feld, daß Ionen mit einer Polarität, die der Polarität der Oberflächenladungen auf der Bahn entgegengesetzt ist, die Ionisierungselektroden verlassen und zu der geladenen Oberfläche fließen.
Wenn die sich bewegende Bahn beispielsweise eine negative elektrostatische Ladung trägt, zieht ihr elektrostatisches Feld die Ionen von den positiven Elektroden an. Als Resultat fließt ein gewisser positiver Ionenstrom zu der sich bewegenden Bahn, um deren Oberflächenladung zu neutralisieren, während der Ionenstrom von den negativen Elektroden im wesentlichen zu den positiven Elektroden fließt oder während der inaktiven Halbwelle der negativen Elektrode an diese zurückfließt. Die Gleichstromkomponente des Stroms im Systemmasse-Rückpfad ändert sich daher von Null auf den Wert, der sich direkt auf den Ionenstrom bezieht, der zu der Oberfläche der geladenen Bahn fließt. Der sich ergebende Strom, der den Ionisierer verläßt, kann gemessen oder auf eine andere Weise in dem gemeinsamen Masse-Rückpfad als eine Angabe der Polarität und des Betrags der Ladung auf der Oberfläche überwacht werden. Gemäß eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung funktioniert der Ionisierer als Sensor für die Ladung auf dem Erzeugnis. Ein von dem Ionisierer stammendes Signal kann dann dafür verwendet werden, die Ausgänge der Generatoren zu steuern, ohne daß externe Sensoren notwendig sind.
In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die von den Elektroden stammenden Ionenströme in einer Ausprägung ausgeglichen, die aktuellen Industrieinstallationen ähnelt, in denen solche Ionisierer nahe elektrisch geerdeter Metall-Maschinenrahmenkomponenten angeordnet sind. Unter solchen Bedingungen fließen einige Ionen trotzdem von dem Ionisierer weg, in Richtung des Metall-Maschinenrahmens, wenn eine Bahn eines Materials eine vernachlässigbare oder geringe statische Ladung trägt. Dieser Ionenfluß kann, falls er nicht ausgeglichen ist, zu einem unerwünschten Aufladen der Bahn führen. Um zu gewährleisten, daß das oben beschriebene Verfahren in einer industriellen Umgebung arbeitet, sollte die Gleichstromkomponente des Stroms in dem gemeinsamen Masse-Rückpfad im wesentlichen gleich Null sein, wenn die Oberfläche, beispielsweise eine sich bewegende Bahn, keine statischen Ladungen trägt. Dies ist erfüllt, indem die Ionisierungselektroden nahe dem geerdeten Metallelement angeordnet werden, beispielsweise eine Platte, und in dem die an den Ionisierungselektroden anliegenden Spannungen eingestellt werden, bis die Gleichstromkomponente des Stroms im gemeinsamen Masse-Rückpfad im wesentlichen gleich Null ist.
Hinsichtlich der Erzeugung von positiven und negativen Spannungen mit verschiedenen Wellenformen und Amplituden können verschiedene Arten von zugehörigen Hochspannungsgeneratoren verwendet werden. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung wird deutlich verstärkt, wenn die zwei Hochspannungsgeneratoren so betrieben werden, daß sie während Arbeits-Halbwellen bei einer gewählten Umschalte- oder Wiederholrate positive und negative Spannungen von ungefähr 3–15 kV erzeugen. Im Betrieb während einer Hälfte des Umschalte-Arbeitszyklus erzeugt der erste Generator nur positive Halbwellen der Hochspannung, und der andere Generator ist im wesentlichen inaktiv. Danach, während der anderen Hälfte des Umschaltezyklus, erzeugt der andere Generator nur negative Halbwellen einer Hochspannung, und der erste Generator ist im wesentlichen inaktiv. Während jedes halben Arbeitszyklus der angelegten Wechselleistung wird das Potential der Ionisierungselektroden, die mit dem aktiven Hochspannungsgenerator verbunden sind, auf Luftionisierungspegel angehoben, während die mit dem inaktiven Generator verbundenen Ionisierungselektroden als Masse-(oder Null-Potential)-Referenz dienen. Um die Ionisierungselektroden herum sammeln sich Mengen positiver und negativer Luftionen an. Ionen mit einer Polarität, die der Polarität der Ladung auf der Bahn entgegengesetzt ist, werden zu der Bahn hingezogen. Elektroden mit der gleichen Polarität wie die Polarität der Ladung auf der Bahn und überschüssige Luftionen der ersten Polarität, die nicht zu der Bahn hingezogen wurden, beispielsweise wegen zu geringen statischen Ladungen auf der Bahn, werden aktiver zurückgezogen, entweder zu der Elektrode, die diese erzeugt hat, wenn sich das Potential der Elektrode auf im wesentlichen Null geändert hat, oder zu der Elektrode der entgegengesetzten Polarität während ihrer Anregung. Diese Effekte tragen wesentlich zu der Selbstausgleichung der Ionisierung und zu der Neutralisierung der statischen Nettoladung auf einer sich bewegenden Bahn bei. Jedoch führt dieser Selbstausgleich nicht zu einem hohen Verlust an Ionen, wie bei üblichen Wechselstrom-Ionisierern, in denen die gleichen Elektroden, welche die Polaritäten wechseln, wesentlich höhere Anteile der in dem vorangegangenen Halbzyklus erzeugten Ionen zurückziehen.
Die Hochspannungsgeneratoren umfassen in einer Ausführung der Erfindung zahlreiche Leistungsumwandlungsstufen, in denen der Hochspannungs-Ausgang mit einem Hochfrequenz-Inverter (der typischerweise bei einer Frequenz größer als 20 KHz arbeitet) erzeugt wird. Daher können die Hochspannungs-Aufwärtstransformatoren hinsichtlich der Größe und des Gewichts zur zweckmäßigen Unterbringung im Gehäuse und zur Befestigung bei den Ionisierungselektroden nahe des Erzeugnisses reduziert werden. Dadurch wird die stark isolierte Hochspannungsverkablung vermieden, die in Wechselstrom-Ionisierern zwischen den Elek troden und den entfernt gelegenen Hochspannungsgeneratoren verwendet wird. Die Wechselrate, mit der die Generatoren aktiviert und deaktiviert werden, kann in einem Bereich zwischen 50 Zyklen pro Sekunde und 400 Zyklen pro Sekunde liegen.
In einer Ausführung der Erfindung wird der Ausgang der Hochspannungsgeneratoren während ihrer jeweiligen inaktiven Halbzyklen mit einem wesentlich geringeren elektrischen Potential vorgesehen, so daß die mit dem zugehörigen Generator verbundenen Ionisierungselektroden als elektrische Potentialreferenz für die aktiven Ionisierungselektroden dienen, um das gewünschte intensive elektrische Feld zu erzeugen, das zur Ionisierung erforderlich ist.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die Ausgänge von einem oder von beiden getrennten Hochspannungsgeneratoren selektiv und unabhängig gesteuert, um die Netto-Ionenausgabe zu steuern. Dadurch können gewünschte Niveaus positiver und negativer Ionenströmen erreicht werden, indem die jeweiligen an die Ionisierungselektroden angelegten Hochspannungen geändert werden. Auf diese Weise kann das Verhältnis der Ionenströme über einen breiten Bereich zwischen nur positiven und nur negativen Elektroden geändert werden, einschließlich im allgemeinen gleicher positiver und negativer Ionenströme für eine ausgeglichene Ionisierung, um die Oberflächenladung jeglicher Polarität und Betrag auf einer sich schnell bewegenden Bahn zu neutralisieren. In dieser Ausführung kann der einer Polarität der Hochspannung zugehörige Ionenstrom auf einem maximalen Niveau beibehalten werden, indem die Hochspannung verringert wird, die an die Elektrode der anderen Polarität angelegt wird, um die Oberflächenladung einer bekannten Polarität am effektivsten zu neutralisieren. Der Ionisierer kann ferner als Aufladeeinrichtung verwendet werden, falls dies erwünscht ist, beispielsweise durch Installieren von Elektroden neben einer Metallwalze, die die Bahn trägt, und indem der Ausgang der Hochspannungsgeneratoren eingestellt wird, um vornehmlich positive (oder vornehmlich negative) Ionen zu erzeugen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
1B ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im selbst-ausgeglichenen Modus arbeitet;
1C ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die in einem nicht-ausgeglichenen Modus arbeitet;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm der Hochspannungsgeneratoren der 1A, 1B und 1C gemäß einer Ausführung der Erfindung;
3 ist ein Schaltplan der Generatoren von 1;
4 ist eine perspektivische Ansicht der Luftionisierungs-Elektroden, die bezüglich einer sich bewegenden Bahn positioniert ist, die neutralisiert werden soll; und
5 ist ein schematisches Blockdiagramm der Hochspannungsgeneratoren der 1A, 1B und 1C gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten zwei Hochspannungsgneratoren 9, 11, wie in der 1A dargestellt, um an jeweiligen Ausgängen 80, 82 nur positive (oder negative) Hochspannungen 13, 15 zu erzeugen. Die Ausgangsspannungen jedes Generators 9, 11 werden an jeweiligen Gruppen von Ionenemitterelektroden 47, 49 geliefert, die üblicherweise als scharfe Spitzen oder Enden aus geformt sind und in Richtung eines Erzeugnisses orientiert sind, das durch angelieferte Elektronen neutralisiert werden soll. Zusätzliche Widerstände 90, 92 mit hohen Widerstandswerten (beispielsweise 20 bis 200 Megaohm) können zwischen den Ausgangsanschlüssen und den Ionenemitterelektroden 47, 49 angeschlossen werden, um den maximalen Ausgangsstrom aus Sicherheitsgründen zu begrenzen. Die Elektroden 47, 49 werden in geringer Nähe zu dem Erzeugnis 10 (beispielsweise eine sich bewegende Bahn) angeordnet, das mit Luftionen neutralisiert werden soll. Die Generatoren, die Hochspannungen vorbestimmter Polarität an die entsprechenden Elektroden anlegen, umfassen elektrische Masse-Rückpfade 109, 111, durch die elektrische Ladungen mit einer Polarität, die zu denen der Elektroden entgegengesetzt ist, von den Generatoren bei Raten weggeführt werden, die den Raten der Luftionenerzeugung durch die jeweiligen Elektroden 47 und 49 entsprechen. Ferner sind die jeweiligen Masse-Rückpfade der zwei Hochspannungsgeneratoren mit einem Summierungsknotenpunkt 113 verbunden, ähnlich der Schaltung, die in dem Patent US 4,809,127 vom 28. Februar 1989 von Arnold J. Steinman et al. beschrieben ist, und sind ferner mit einer zugehörigen Meßschaltung 107 in dem gemeinsamen Masse-Rückpfad 115 verbunden. In Gegensatz zum obengenannten Stand der Technik fließt in der vorliegenden Erfindung der im wesentlichen gesamte Ionenstrom von den positiven Elektroden zu den negativen Elektroden, und im wesentlichen der gesamte Ionenstrom von den negativen Elektroden zu den positiven Elektroden, für den Fall, daß kein elektrostatisches Feld (oder wenn nur ein schwaches Feld vorliegt) an der Oberfläche 10 in der direkten Nähe der Ionisierungselektroden vorliegt. Dies wird durch die Kombination eines bestimmten Abstands zwischen den Ionisierungselektroden entgegengesetzter Polarität, wobei jede Ionisierungselektrode positiver Polarität 47 in geringem Abstand zu einer Elektrode der negativen Polarität 49 positioniert ist, und der Potentialunterschiede zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität erreicht. Unter diesen Umständen kann die Gleichstromkomponente des Stroms im gemeinsamen Masse-Rückpfad 115 im wesentlichen gleich Null sein, wenn im wesentlichen keine externen elektrostatischen, von einer geladenen Oberfläche in der Nähe der Ionisierungselektroden ausgehenden Felder vorliegen. Wenn eine benachbarte Oberfläche 10 eine Ladung aufweist, verursacht das zugehörige elektrostatische Feld, daß Ionen mit der Polarität, die der Polarität der geladenen Oberfläche auf der Bahn entgegengesetzt ist, die Ionisierungselektroden verlassen und zu der geladenen Oberfläche fließen. Der sich ergebende Strom, der den Ionisierer verläßt, kann gemessen oder anderweitig in dem gemeinsamen Masse-Rückpfad 115 überwacht werden, als Angabe für die Polarität und den Betrag der Ladung auf der Oberfläche überwacht.
Die 1B zeigt eine Ausführung der vorliegenden Erfindung, in der der Ionisierer in einer eingestellten Entfernung von einer elektrisch geerdeten Metallplatte 22 angeordnet ist, um typische Industrieinstallationen zu simulieren. Der Strom im gemeinsamen Masse-Rückpfad 115 wird mit dem Meßschaltkreis 107 gemessen. Der Ausgang des Hochspannungsgenerators 9 (oder des Hochspannungsgenerators 11) wird gesteuert, um das an die Elektroden 47 gelieferte effektive Ionisierungspotential zu variieren, während das Ionisierungspotential der Elektrode 49 unverändert bleibt, bis die von den Elektroden stammenden Ionenströme ausgeglichen sind und die Gleichstromkomponente des Stroms im gemeinsamen Masse-Rückpfad im wesentlichen gleich Null ist. Wie in der 1C dargestellt ist, kann ein Ungleichgewicht der Mengen an positiven und negativen Ionen, die an eine anfänglich neutrale Bahn 10 geliefert werden, eine Restladung auf der Bahn an Stellen erzeugen, die hinter dem Ionisierer liegen.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die zwei Hochspannungsgeneratoren 9 und 11 betrieben, um positive oder negative Spannungen von ungefähr 3 bis 15 kV während der jeweiliger Arbeits-Halbperioden bei gewählten Umschalte- oder Wiederholungsraten zu erzeugen. Im Betrieb während einer Hälfte des Umschalte-Arbeitszyklus erzeugt ein Generator nur eine positive Hochspannungs-Halbwelle, und der andere Generator ist im wesentlichen inaktiv. Daraufhin, während des entgegengesetzten Arbeitszyklus, erzeugt der andere Generator nur negative Hochspannungs-Halbwellen, und der andere Generator ist im wesentlichen inaktiv. Die Arbeitszyklen können einfach durch die Netzfrequenz bestimmt werden, um jeden der getrennten Hochspannungsgeneratoren 9, 11 alternierend zu aktivieren, um an den Ausgängen 80, 82 Hochspannungs-Halbwellen 13, 15 zu erzeugen.
Insbesondere umfaßt jeder Generator 9, 11 Schaltungen für den Betrieb bei hohen Frequenzen von ungefähr 20 kHz hinsichtlich der zugeführten elektrischen Leistung, wobei ein solcher Hochfrequenz-Betrieb die Größe und das Gewicht der Spannungs-Aufwärtstransformatoren verringert, die verwendet werden, um hohe Spitzen-Ausgangsspannungen 13, 15 der einen oder anderen Polarität zu erzeugen.
Bezugnehmend auf die 2 ist ein schematisches Blockdiagramm der Schaltungsstufen dargestellt, einschließlich der Hochspannungsgeneratoren 9, 11, deren Masse-Rückpfade in einer Ausführung mit einem Summierungsknotenpunkt 113 verbunden werden können. Die Generatoren 9, 11 empfangen alternierende Halbwellen der zugeführten Leistung (beispielsweise vom üblichen Wechselstromnetz) über entsprechende halbwellen-Gleichrichter 19, 21. Die alternierenden Halbwellen 23, 25 der angelegten Wechsel-Leistung 20 versorgt die jeweiligen Inverter 27, 29 mit Leistung, um Schwingungen 31, 33 bei hohen Frequenzen von ungefähr 20 KHz nur während alternierenden Halbzyklen der angelegten Wechsel-Leistung 20 zu erzeugen. Solche Hochfrequenz-Schwingungen bei Hochspannungen von ungefähr 3 bis 15 kV werden daraufhin von jeweiligen Dioden 35, 37 halbwellen-gleichgerichtet, um die sich ergebende halbwellen-gleichgerichtete, Hochfrequenz-Hochspannungen an die jeweiligen Filter 39, 41 zu liefern. Diese Filter entfernen die Hochfrequenzkomponenten der halbwellen-gleichgerichteten Spannungen, um jeweilige Hochspannungs-Ausgaben 43, 45 vorzusehen, die über die Zeit im wesentlichen abhängig von der zeitlichen Veränderung der halbwellen-gleichgerichteten angelegten Wechsel-Leistung 23, 25 variiert. Die gefilterten Ausgangsspannungen 43, 45 werden an getrennte jeweilige Gruppen von Ionen-Emitterelektroden 47, 49 des Typs und mit der Orientierung geliefert, wie oben beschrieben ist. Die Inverter 27, 29 können in Reaktion auf das angelegte Steuersignal gesteuert werden, um das an die jeweiligen Elektroden 47, 49 gelieferte effektive Ionisierungspotential zu verändern. Zwischen den Ausgängen der Hochspannungsgeneratoren ist ein Widerstand 85 angeschlossen, um am Ausgang und an der zugeordneten Elektrode 47, 49, die während eines Halbwellen-Zyklus inaktiv ist, im wesentlichen ein Nullpotential vorzusehen. Wie in der 2 dargestellt ist, können die Inverter 27, 29 direkt in der üblichen Weise gesteuert werden, um die Hochspannungsausgänge zu ändern, welche die jeweiligen Elektroden 47, 49 versorgen, in Reaktion auf das angelegte Steuersignal, das beispielsweise wie im weiteren mit Bezug auf 3 dargestellt und beschrieben ist, abgeleitet wird.
Bezugnehmend auf den Schaltplan von 3 ist ein Eingangs-Filternetzwerk 50 dargestellt, das einen Varistor sowie induktive und kapazitive Elemente umfaßt, um einen Schutz gegen Spannungsspitzen im Stromnetz und gegen elektromagnetische Interferenz vorzusehen. Die angelegte Wechselleistung bei Netz- oder einer anderen Frequenz und bei jedem geeigneten Spannungspegel (beispielsweise 24 V, 120 V, 220 V usw.) wird über Elektroden 19, 21 an jeweilige Hochfrequenz-Inverter 27, 29 angelegt. Für jeden Inverter wird die halbwellen-gleichgerichtete angelegte Wechselspannung zur Verwendung durch die Hochfrequenz-Oszillatoren 56, 58 gefiltert 52, 54, die Spannungs-Aufwärtstransformatoren 60, 62 umfassen. Die Aufwärtstransformatoren 60, 62 umfassen jeweils Wicklungen, die in jeweiligen Drain- oder Kollektorschaltkreisen von Tansistorpaaren 68, 70 angeschlossen sind. Der Aufwärts-Transformator umfaßt Wicklungen, die mit Basis- oder Gate-Schaltungen des Transistorpaars verbunden sind, um regenerative Rückkopplungsschleifen zu bilden, die den Schwingungsbetrieb unterstützen, während ein Netz-Strom durch die zugehörige Elektrode 19, 21 im wesentlichen bei einer Frequenz geleitet wird, die durch den Speicherschaltkreis der Kapazitäten 63, 65 und durch die Primärinduktivität der Wicklung 67, 69 bestimmt ist. Die Induktivitäten 57, 59 glätten den an die parallel-resonanten Speicherschaltkreise der Spulen 67, 69 und der die Kapazitäten 63, 65 gerichtete Stromfluß. Stromtransformatoren 64, 66 fühlen die Kollektor- oder Drainströme des Transistorpaars 68, 70 ab, um einen proportionalen Strom mit reduziertem Betrag zum Ansteuern des Transistorpaars 68, 70 vorzusehen. Der proportionale Ansteuerstrom erlaubt den Betrieb über einen weiten Bereich von Eingangsspannungen, die in jedem Wechselzyklus während der Halbsinus-Wellenänderung auftreten.
Jeder Aufwärtstransformator 60 und 62 umfaßt eine Ausgangswicklung 72 oder 74, die mit kapazitiven Spannungsverdopplungsschaltkreisen 76, 78 verbunden sind, die gleichgerichtete Hochspannungen an den Ausgangsanschlüssen 80, 82 der einen oder anderen Polarität erzeugen. Die gleichgerichteten Ausgangsspannungen werden mittels der Kapazitäten 84, 86 gefiltert, um Ausgangsspannungen 43, 45 vorzusehen, die an die entsprechenden Ionenemitter-Elektroden 47, 49 angelegt werden. Die Ausgangsspannungen 43, 45 sollten auf Niveaus eingestellt werden, die sich aufeinander oder auf die Systemmasse beziehen, so daß die Ionisierungselektroden 47, 49 positive und negative Ionenströme des im wesentlichen gleichen Betrags erzeugen, um ausgeglichene Ionisierungszustände zu erleichtern. Der Widerstand 85 mit sehr hohem Widerstandswert (beispielsweise 50 Megaohm) wird zwischen die Ausgangsanschlüssen angeschlossen, um die Filterkapazitäten 84, 86 zu entladen, und die zusätzlichen Widerstände 90, 92 mit hohen Widerstandswerten können zwischen Ausgangsanschlüsse und Ionenemitter-Elektroden 47, 49 angeschlossen werden, um den maximalen Ausgangsstrom, der von den Spannungsverdopplern 76, 78 vorgesehen wird, zu beschränken. Die Transformatoren 60, 62, 64, 66 und andere Komponenten mit geringer Größe, die für den Hochfrequenzbetrieb vorgesehen sind, erlauben eine zweckmäßige Unterbringung in einem gemeinsamen Gehäuse 103, um diese mit den Ionisierungselektroden 47, 49 nahe der sich bewegenden Bahn 10 zu befestigen, wie in der 4 dargestellt ist. Durch solche Befestigung wird die exponierte Hochspannungsverkabelung zwischen dem Hochspannungsgenerator und den Ionisierungselektroden vermieden und erlaubt sichere Niederspannungs-Verbindungen zwischen einer Wechselleistungsquelle und dem Gehäuse 103.
Im weiteren ist der Meßschaltkreis beschrieben, der zum Messen der Gleichstromkomponente des Stroms durch den gemeinsamen Masse-Rückpfad verwendet wird. Durch den elektrischen Masse-Rückpfad 109 des Generators für positive Hochspannung 9 und durch den elektrischen Masse-Rückpfad 111 des Generators für negative Hochspannung 11 werden elektrische Ladungen mit einer Polarität entgegengesetzt zu der Polarität der Ladungen auf den Ionisierungselektroden von den Generatoren weggeführt. Die jeweiligen Masse-Rückpfade 109, 111 der zwei Hochspannungsgeneratoren sind mit einem Summierungsknoten 113 und dann über den Widerstand 105 mit hohem Widerstandswert mit der Gehäusemasse verbunden, der als Widerstand zum Fühlen des Rückstroms arbeitet. Weitere Komponenten des Meßschaltkreises umfassen einen Kondensator 106, der parallel mit dem Widerstand 105 geschaltet ist, um als Filter zu dienen. Der Spannungsabfall am Widerstand 105 wird von einem Gleichspannungsmeßgerät 107 oder einem ähnlichen Instrument gemessen, wie in 3 dargestellt ist. Der Systemmasse-Rückstrom zeigt daher die Polarität und den Betrag des Netto-Ionenstroms an, der von dem Ionisierer zu der geladenen Oberfläche fließt, oder überwacht diesen und kann abgefühlt werden, um Information hinsichtlich der Ladungsniveaus auf der sich bewegenden Bahn oder hinsichtlich des Betriebs des Ionisierers vorzusehen, oder kann verwendet werden, um die Inverter 27, 29 mit einem Signal zu versorgen, wie es in der 2 dargestellt ist, um die an die jeweiligen Elektroden 47, 49 angelegten Hochspannungspegel zu steuern.
Bezugnehmend auf 4 ist eine Ausführung der Elektroden 47, 49 dargestellt, die mit jeweiligen Ausgängen 80, 82 verbunden sind und in geringem Abstand zu einer sich bewegenden Bahn 10 befestigt sind. Die Hochspannungsgeneratoren sind zur Befestigung in einem gemeinsamen Gehäuse 103 mit den Ionisierungselektroden 47, 49 nahe der sich bewegenden Bahn 10 untergebracht. Durch solche Befestigung wird die exponierte Hochspannungs-Verkabelung zwischen dem Hochspannungsgenerator und den Ionisierungselektroden vermieden, und ermöglicht eine sichere Niederspannungsverbindung zwischen einer Wechselstrom-Leistungsquelle und dem Gehäuse 103. In dieser Anordnung sind Ionisierungselektroden-Zeilen in Form von sich verjüngenden Stiften 47, 49 gemeinsam mit den Hochspannungs-Leitern 95, 97 der einen oder anderen Polarität befestigt, und Luftionen der einen Polarität und daraufhin der entgegengesetzten Polarität werden während abwechselnden Arbeitszyklen in geringem Abstand zu der sich bewegenden Bahn 10 erzeugt, um die statische Ladung auf der Bahn 10 zu steuern. In jedem Halbwellenzyklus des Eingangssignals wird das Potential einer Stift- oder Elektroden 47, 49-Zeile auf Ionisierungspegel (beispielsweise 3–15 kV) angehoben, während die andere Stift- oder Elektroden-Zeile als Masse-(oder Nullpotential-)Referenz dienen, um starke Feldgradienten um die Stifte oder Elektroden 47, 49 herum zur Begünstigung der Luftionisierung aufzubauen.
In einer weiteren Ausführung können die Ionisierungselektroden beider Polaritäten in einer einzelnen Zeile in abwechselnden (–), (+), (–), (+)-Orientierungen angeordnet werden, wobei der Abstand zwischen benachbarten Elektroden im Bereich von ungefähr 6,35 mm bis 50,8 mm (1/4 bis 2 Zoll) liegt, und wobei der bevorzugte Abstand zwischen 12,7 mm und 25,4 mm (1/2 bis 1 Zoll) liegt. In einer weiteren Ausführung sind die Elektroden in Paaren positioniert, so daß jede für positive Spannungen vorgesehene Elektrode eine Elektrode für negative Spannungen als Nachbarn hat, wobei der Abstand zwischen den Elektroden innerhalb der Paare kürzer als der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren ist.
Als alternative Ausführung sind, wie in 5 dargestellt, übliche Luftpulsbreitenmodulatoren oder Zerhacker 24, 26 vor die Inverter 27, 29 geschaltet, um die Durchschnitts-(oder inte grierte)Eingangsspannung 28, 30 zu verringern, jedoch ohne die Einhüllende oder die Wellenform der Spannung 28, 30 wesentlich zu ändern, die an die Inverter 27, 29 angelegt wird. Die Zerhacker 24, 28 als Pulsbreitenmodulatoren können Transistoren, MOSFETs oder ähnliche Umschalteinrichtungen umfassen, die bei Frequenzen an- und abgeschaltet werden, die mit den Schwingungsfrequenzen der Inverter mit veränderlichen Betriebsperioden bzw. AN-Zyklen vergleichbar abhängig von einem angelegten Steuersignal 101 gesteuert werden, das von dem Ausgang eines Verstärkers 117 abgeleitet wird. Der Eingang des Verstärkers 117 ist mit dem Meßschaltkreis verbunden und umfaßt einen Widerstand 105 und einen Kondensator 106. Das Verhältnis der Betriebsperioden zu der Gesamtzeitdauer (AN und AUS) kann über den gesamten Halbzyklus der angelegten Niederfrequenz-Eingabe 23, 25 konstant verbleiben, mit dem Ergebnis, daß die Durchschnitts-Ausgangsspannungen der Zerhacker, die an die Inverter 27, 29 angelegt werden, die Wellenform einer Halb-Sinuswelle bei Amplituden beibehalten, welche abhängig von der Verringerung des Tastverhältnisses verringert sind.
Die Gleichstromkomponente des Stroms im Masse-Rückpfad gibt die Polarität und den Betrag des Netto-Ionenstroms an oder überwacht diese, und kann verwendet werden, um für die Zerhacker 24, 26 ein Signal vorzusehen, wie in 5 dargestellt ist, um die Hochspannungspegel zu steuern, die an die jeweiligen Elektroden 47, 49 angelegt werden. In dieser Ausführung der vorliegenden Erfindung kann der Selbst-Ausgleich der Ladungsneutralisierung auf einer sich bewegenden Bahn 10 durch aktive Kontrolle des einen oder anderen Generators 9, 11, abhängig beispielsweise von dem Signal am Eingang 99 des Verstärkers 117 verbessert werden, das den Nettostrom in dem Systemmasse-Rückpfad wiedergibt.
In dieser Ausführung erzeugt die in 5 dargestellte Schaltung ein Steuersignal 99, um es an einen oder an beide Generatoren 9, 11 in der oben beschriebenen Weise zum Ändern des Ionisierungspotentials der dadurch erzeugten Ausgangsspannung anzulegen. Beispielsweise kann ein Signal im Masse-Rückpfad, das den positiven Nettoionenstrom wiedergibt, der zu einer geladenen Bahn fließt, dazu verwendet werden, um die Ausgabe des Zerhackers 26 im negativen Generator 11 zu verringern und dadurch die Spannung an den negativen Ionisierungselektroden 49 zu reduzieren. Das Verringern der negativen Spannung reduziert effektiv die Anzahl der positiven Ionen, die von der negativen Elektrode 49 angezogen und rekombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung kann ferner verwendet werden, um Ladung auf eine Oberfläche aufzubringen, indem die von den Elektroden stammenden Ionen auf die Oberfläche zu übertragen werden, beispielsweise zum Zwecke des sogenannten elektrostatischen Anheften („pinning") von Lagen oder Filmmaterial auf andere Oberflächen oder Halteoberflächen. Hierzu werden Ionisierungselektroden benachbart zu einer geerdeten Oberfläche positioniert, beispielsweise eine Metallwalze, die das Filmmaterial transportiert. Die Ionen-Spannungsgeneratoren werden so eingestellt, daß verschiedene Verhältnisse positiver und negativer Ionisierungsströme für ein bipolares Laden der Oberfläche oder für ein Übergewicht von Ionen einer Polarität an den zugeordneten Elektroden erreicht wird, um die Oberfläche stark unipolar aufzuladen. Die Coulomb-Kräfte, die zwischen den Elektroden und der geerdeten Metallwalze herrschen, bewegen die Ionen zum Filmmaterial hin, das von der Walze getragen wird, wodurch die Filmmaterial-Bahn geladen wird.
Daher sehen die Hochspannungsgeneratoren, Ionisierungselektroden und Steuermechanismen gemäß der vorliegenden Erfindung das Liefern positiver und negativer Ionen zum Steuern einer statischen Ladung auf einem Erzeugnis vor, beispielsweise auf eine sich bewegende Bahn dielektrischen Materials. Der Selbstausgleich oder die Signalsteuerung der elektrostatischen Ladungsneutralisierung durch die erzeugten Luftionen unterstützt daher das Steuern der Oberflächenladung, beispielsweise die Ladungsneutralisierung auf eine Nettoladung von im wesentlichen Null, um das Bahnmaterial besser verarbeiten zu können.

Claims

Verfahren zum Neutralisieren einer elektrostatisch aufgeladenen Oberfläche mittels eines Systems, das eine erste und eine zweite Ionisierungs-Elektroden (47, 49) umfaßt, die mit jeweils einem ersten und einem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) verbunden sind, welche die ersten und die zweiten Ionisierungs-Elektrode (47, 49) mit jeweils einer positiven Hochspannung und einer negativen Hochspannung versorgen, um mittels der ersten Elektrode (47) positive Ionen und mittels der zweiten Elektrode (49) negative Ionen zu erzeugen, wobei das Verfahren umfaßt: a) Einrichten eines gemeinsamen Masse-Rückpfads (109; 111) für den ersten und den zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11); b) Wegführen eines Flusses elektrischer Ladungen entgegengesetzter Polarität von dem ersten Hochspannungsgenerator (9) über dessen gemeinsamen Masse-Rückpfad (109) mit einer Rate, die im wesentlichen der Ionenerzeugungsrate der ersten Ionisierungs-Elektrode (47) entspricht; c) Wegführen eines Flusses elektrischer Ladungen entgegengesetzter Polarität von dem zweiten Hochspannungsgenerator (11) über den gemeinsamen Masse-Rückpfad (111) mit einer Rate, die im wesentlichen der Ionenerzeugungsrate der zweiten Ionisierungs-Elektrode (49) entspricht; d) Leiten im wesentlichen aller Ionen der von der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) erzeugten Ionen der einen oder anderen Polarität, so daß diese in Abwesenheit eines externen elektrostatischen Feldes nahe der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) in Richtung der Elektrode (49, 47) der entgegengesetzten Polarität fließen; e) Anordnen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) nahe einer Oberfläche, die elektrostatische Ladung veränderlicher Größe aufweist, einschließlich von im wesentlichen Null-Ladung, welche die eine oder andere Polarität aufweist, um dadurch ein elektrostatisches Feld zwischen der geladenen Oberfläche und der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) einzurichten, um einen Teil des von der Elektrode mit entgegengesetzter Polarität stammenden Ionenstroms zur geladenen Oberflächen fließen zu lassen; f) Kombinieren des Flusses elektrostatischer Ladungen von dem ersten und dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) über den gemeinsamen Masse-Rückpfad (109, 111), mit einer Rate, die im wesentlichen der Ionenstromflußrate der geladenen Oberfläche entspricht; und g) Abtasten des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen, die von dem ersten und dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) stammen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Abtastens des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen von dem ersten und dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) umfaßt: Messen und Überwachen der Gleichstrom-Komponente des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gleichstrom-Komponente des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen von dem ersten und dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) über deren gemeinsamen Masse-Rückpfad (109; 111) in Abwesenheit eines externen elektrostatischen Feldes in der Nähe der ersten und der zweiten Elektrode im wesentlichen null ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: intermittierendes und alternierendes Betätigen des ersten und des zweiten Hochspannungsgenerators (9, 11).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Schritt des Betätigens der erste und der zweite Hochspannungsgenerator (9, 11) betätigt wird, um eine Hochspannungs-Ausgabe zu erzeugen, während der Ausgang des anderen Hochspannungsgenerators (9, 11) im wesentlichen null ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hochspannungs-Ausgänge des ersten und des zweiten Hochspannungsgenerators (9, 11) unabhängig voneinander einstellbar sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfaßt: Anordnen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) nahe der Oberfläche und der leitenden Masse und bei Fehlen der Oberfläche, Einstellen der Gleichstrom-Komponente des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Hochspannungsgenerator auf im wesentlichen Null.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Einstellens der Gleichstrom-Komponente ausgeführt wird, indem das Niveau der Hochspannung eingestellt wird, welche von zumindest dem ersten oder dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Abstand zu einer leitenden Masse im Bereich von ungefähr 0,0254 m bis 0,152 m (ungefähr 1 Zoll bis ungefähr 6 Zoll) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, das ferner umfaßt: g) Anordnen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) nahe der Oberfläche, auf der eine elektrische Ladung vorliegt, um ein externes elektrostatisches Feld in der Nähe der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) der einen oder anderen Polarität aufzubauen, um einen Ionenstrom von der ersten oder der zweiten Elektrode (47, 49) mit entgegengesetzter Polarität zu der geladenen Oberfläche fließen zu lassen; h) Einrichten des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) über den gemeinsamen Massen-Rückpfad (109; 111); i) ferner Einrichten der Gleichstrom-Komponente des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen, so daß dieser im wesentlichen der Rate des Ionenstromflusses entspricht, der zu der geladenen Oberfläche geführt wird; und k) Abtasten der Gleichstrom-Komponente des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, umfassend: intermittierendes und alternierendes Betätigen des ersten und des zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei in dem Schritt des Betätigens der erste oder der zweite Hochspannungsgenerator (9, 11) betätigt wird, um eine Hochspannungs-Ausgabe vorzusehen, während die Ausgabe der andere Hochspannungsgeneratoren (9, 11) ein wesentlich geringeres Niveau aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ein Verfahren zum Versorgen von Elektroden (47, 49) mit Ionisierungspotentialen zum Ionisieren von Luft mittels eines Paars Inverter umfaßt, wobei diese jeweils geeignet sind, in Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal Schwingungen bei hohen Frequenzen vorzusehen, wobei das Verfahren umfaßt: l) alternierendes Anlegen elektrischer Signale an die Inverter, um jeden Inverter in entgegengesetzter Phase mit Energie zu versorgen, um eine hochfrequente Schwingung vorzusehen; m) Ausbilden eines Wechselstrom-Hochspannungsausgangs ausgehend von den Schwingungen in jedem Inverter; und n) Gleichrichten der von jedem Inverter stammenden Wechselstrom-Hochspannungsausgabe, um daraus während des Betriebs des zugeordneten Inverters in einem Zeitintervall aus der Wechselstrom-Hochspannungsausgabe eine halbwellen-gleichgerichtete Ausgabe zu erzeugen, während dieser durch die angelegten elektrischen Signale mit Energie versorgt ist, um die Ionisierungselektroden mit Ionisierungspotential zu versorgen.
Verfahren nach Anspruch 13, welches ferner umfaßt: o) Versorgen einer Bahn bewegten dielektrischen Materials mit Ionen, die an den Ionisierungselektroden (47, 49) erzeugt werden, an einer ausgewählten Stelle, die von der bewegten Bahn durchlaufen wird, um auf der Bahn vorgesehene Ladungen zu neutralisieren; und p) Abtasten einer Gleichstrom-Komponente des kombinierten Flusses elektrischer Ladungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Hochspannungsgenerator in einem gemeinsamen Massepfad, um ein Steuersignal zum selektiven Steuern der erzeugten Ionen im Hinblick auf zumindest einen Parameter und Menge und Polarität vorzusehen, um restliche, auf der Bahn verbleibende Ladung nach deren Bewegung an der Stelle vorbei, an der die Bahn mit Ionen versorgt wird, zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zumindest einer der Inverter mit dem Steuersignal versorgt wird, um die von diesem ausgegebene Wechselstrom-Hochspannung selektiv zu verändern.
Vorrichtung zum Neutralisieren einer elektrostatisch geladenen Oberfläche, umfassend: – eine erste und eine zweite Elektrode (47, 49), die nahe an einer Bahn aus einem Material angeordnet werden können, das potentiell elektrostatische Ladung ausbildet, und die angeordnet sind, um Luft zum Versorgen des Materials mit Ionen zu ionisieren; – einen ersten Hochspannungsgenerator (9), der mit der ersten Elektrode (47) verbunden ist, um an diese eine positive Hochspannung anzulegen, und einen zweiten Hochspannungsgenerator (11), der mit der zweiten Elektrode (49) verbunden ist, um an diese eine negative Hochspannung anzulegen, wobei sowohl der erste als auch der zweite Hochspannungsgenerator (9, 11) eine unabhängig einstellbare Hochspannungsausgabe erzeugt; – einen gemeinsamen Masse-Rückpfad (109; 111), durch den elektrische Ladungen entgegengesetzter Polarität von dem ersten und dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) weggeleitet werden; – einen Steuerschaltkreis zum Betätigen des ersten und des zweiten Hochspannungsgenerators (9, 11), um die jeweilige positive und negative Hochspannung intermittierend und im wesentlichen mit der Stromversorgungsfrequenz alternierend vorzusehen; – einen Abtastschaltkreis, der mit dem gemeinsamen Masse-Rückpfad (109; 111) verbunden ist, um den kombinierten Fluß elektrischer Ladungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) abzutasten; und – Anpassungsmittel, um den kombinierten Fluß elektrischer Ladungen in dem gemeinsamen Masse-Rückpfad (109; 111) auf einer Rate zu halten, die im wesentlichen der Ionenflußrate von der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) zu der geladenen Oberfläche entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Anpassungsmittel die erste und die zweite Elektrode (47, 49) umfassen, die mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, bei dem im wesentlichen alle Luftionen in Abwesenheit des externen elektrischen Feldes in der Nähe der ersten und der zweiten Elektrode zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) fließen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Anpassungsmittel ferner Mittel zum Erzeugen eines Potentialunterschieds zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) umfassen, bei dem im wesentlichen alle Luftionen in Abwesenheit des externen elektrischen Feldes in der Nähe der ersten und der zweiten Elektrode zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) fließen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Anpassungsmittel eine Kombination des Abstandes zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) und dem Potentialunterschied zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) umfassen, bei dem im wesentlichen alle Luftionen in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes in der Nähe der ersten und der zweiten Elektrode zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) fließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Ausgänge des ersten Generators (9) und des zweiten Generators (11) über einen Widerstand (85) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Widerstand (85) einen Widerstandswert hat, der so gewählt ist, daß der Ausgang des einen Hochspannungsgenerators (9; 11) im wesentlichen eine Ausgabe von Null vorsieht, wenn der andere Hochspannungsgenerator (11; 9) am Ausgang ein hohes Niveau aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der erste und der zweite Hochspannungsgenerator (9, 11) jeweils mit einer hohen Frequenz oberhalb der Stromversorgungsfrequenz arbeiten und Aufwärtstransformatoren umfassen, die im Vergleich zu Aufwärtstransformatoren, die bei Stromversorgungsfrequenz betrieben werden, eine geringe Größe aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, um ein geladenes Objekt mit Ionen zu versorgen, wobei der Abtastschaltkreis eine Angabe des Betrags und der Polarität des Netto-Ionenstroms in Verhältnis zu dem Betrag und der Polarität des geladenen Objekts vorsieht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, umfassend: eine Schaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Generator (9, 11) verbunden ist, um ein alternierendes Eingangssignal mit einer gewählten Frequenz vorzusehen, um den ersten Generator (9) während der positiven Halbwelle des Eingangssignals zu betreiben, um eine Hochspannung der einen Polarität zu erzeugen, und um den zweiten Generator (11) während der negativen Halbwelle des Eingangssignals zu betreiben, um eine Hochspannung der entgegengesetzten Polarität zu erzeugen; wobei die erste und die zweite Elektrode (47, 49) nahe einer Bahn aus einem Material positionierbar ist, das potentiell elektrostatische Ladung ausbildet und zum Empfangen der Hochspannung angeschlossen ist, welche von dem jeweiligen Generator (9, 11) erzeugt wird, um an einer Ionisierungs-Elektrode (47, 49) während einer Halbwelle des alternierenden Eingangssignals Ionen der einen Polarität zu erzeugen und um an der anderen Ionisierungs-Elektrode (47, 49) während der anderen Halbwelle des alternierenden Eingangssignals Ionen der entgegengesetzten Polarität zu erzeugen; und jede der Elektroden (47, 49) in geringer Nähe zu einer Elektrode (49) der entgegengesetzten Polarität angeordnet ist, um zu bewirken, daß in Abwesenheit des externen elektrischen Feldes in der Nähe der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) im wesentlichen alle Luftionen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) fließen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei jede Elektrode (47, 49) in geringer Nähe zu einer Elektrode (49) der entgegengesetzten Polarität angeordnet ist, um während jedes Betriebszyklus jede Elektrode (47) im wesentlichen mit einem Referenzpotential von Null zu versehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 oder 25, wobei der erste und der zweite Generator (9, 11) Mittel umfassen, um den Potentialunterschied zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) zu erzeugen, bei dem im wesentlichen alle Luftionen in Abwesenheit des externen elektrischen Feldes in der Nähe der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47, 49) fließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei der erste und der zweite Generator (9, 11) umfaßt: einen Halbwellengleichrichter, der zum Gleichrichten des alternierenden Eingangssignals angeschlossen ist, um ein gleichgerichtetes Niederspannungs-Wechselstromsignal mit ei ner Polarität für den ersten Generator (9) und mit der entgegengesetzten Polarität für den zweiten Generator (11) zu erzeugen; einen Inverter in jedem Generator (9, 11), der so angeschlossen ist, daß er während des zugeordneten Halbwellenintervalls das Niederspannungs-Signal von dem Halbwellengleichrichter in ein Hochspannungs-Wechselstromsignal mit hoher Frequenz umwandelt; und einen zweiten Halbwellengleichrichter, der mit jedem Inverter verbunden ist, um während des zugeordneten Halbwellenintervalls des alternierenden Eingangssignals das Hochspannungs-Wechselstromsignal mit hoher Frequenz in eine gleichgerichtete Halbwellen-Hochspannung umzuwandeln.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei jeder der zweiten Halbwellengleichrichter (78; 76) einen Spannungsverdoppler einschließlich einer ersten Diode und einem ersten Kondensator umfaßt, die in Serie geschaltet sind, um das Hochspannungs-Wechselstromsignal mit hoher Frequenz zu empfangen, und eine zweite Diode und einen zweiten Kondensator (86) umfaßt, die in Serie geschaltet und über der ersten Diode angeschlossen sind, um an dem zweiten Kondensator (86) die halbwellen-gleichgerichtete Hochspannung zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 oder 28, wobei die Inverter Transformatoren und Gleichrichtungsschaltkreise umfassen, die benachbart zu den Elektroden (47, 49) angeordnet sind, um die Länge der Hochspannungs-Verbindungen zwischen den Elektroden (47, 49) und den Gleichrichtungsschaltkreisen zu verringern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei der Schaltkreis ein Diodenpaar umfaßt, das gemeinsam mit einer Versorgung des alternierenden Eingangssignals verbunden ist, wobei eine Diode des Diodenpaars, das mit dem ersten Generator (9) verbunden ist, um diesen Generator während einer Halbwelle des alternierenden Eingangssignals zu betätigen, und die andere Diode des Diodenpaars mit dem zweiten Generator verbunden ist, um diesen Generator während einer anderen Halbwelle des alternierenden Eingangssignals zu betätigen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, mit: einem Schaltkreis, der eine gemeinsame Verbindung der Generatoren (9, 11) als eine Systemmasse ausbildet, um die kombinierten Rückströme der Generatoren (9, 11) in der Systemmasse abzutasten, um daraus ein Signal zu erzeugen, das den Betrag und die Richtung der in der Systemmasse kombinierten Rückströme angeben kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 31, wobei die Ausgänge der Generatoren (9, 11) voneinander unabhängig einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 32, um ein geladenes Objekt mit Ionen zu versorgen, wobei das Signal eine Angabe des Betrags und der Polarität des Netto-Ionenstroms im Verhältnis zum Betrag und der Polarität des geladenen Objekts angibt.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei zumindest einer der Generatoren (9; 11) die von diesem erzeugte Hochspannungs-Ausgabe in Reaktion auf das angelegte Steuersignal verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das Steuersignal proportional zu dem Systemmasse-Rückstrom (109; 111) ist und die Ausgabe von zumindest einem der Inverter ändert, um ein gewähltes Verhältnis positiver und negativer Ionen zu erzeugen, die von den Ionisierungs-Elektroden (47, 49) erzeugt werden, welche angeschlossen sind, um die Hochspannungen positiver und negativer Polarität zu empfangen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 35, wobei die Frequenz des alternierenden Eingangssignals die Frequenz der Stromversorgungs-Wechselspannung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei jede Elektrode (47, 49) nahe einer leitenden Oberfläche angeordnet ist, die in Kontakt mit einem nichtleitenden Material ist, welches zwischen der Oberfläche und der Elektrode (47, 49) angeordnet ist, um dieses Material während eines Betriebszyklus mit Ionen der einen Polarität zu versorgen und um es während des anderen Betriebszyklus mit Ionen der entgegengesetzten Polarität zu versorgen, um eine elektrostatische Netto-Ladung auf dem Material vorzusehen, die eine Anziehungskraft zwischen diesem und der leitenden Oberfläche entwickelt.
Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei die Ausgänge der Generatoren (9, 11) so betrieben werden, daß sie mit den Ionisierungselektroden ein Übergewicht positiver und negativer Ionen erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 38, wobei der Abtastschaltkreis in dem gemeinsamen Masse-Rückpfad (109; 111) einen Widerstand (105) in dem Masse-Rückpfad (109; 111) und einen Filterkondensator (106) enthält, der parallel zu dem Widerstand (105) geschaltet ist, sowie ein Voltmeter (107), um den Spannungsabfall über dem Widerstand (105) zu messen, der durch den kombinierten Fluß der von dem ersten und dem zweiten Hochspannungsgenerator (9, 11) stammenden elektrischen Ladungen erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 39, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47; 49) von ungefähr 0,00635 m bis ungefähr 0,0508 m (1/4 Zoll bis ungefähr 2 Zoll) reicht und der Potentialunterschied zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (47; 49) von ungefähr 3000 Volt bis ungefähr 15000 Volt reicht.