DE19546930C1 - Koronadüse zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koronadüse gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Eine solche Koronadüse wird in DE 43 25 939 C1 beschrieben und dient zur Vorbehandlung der Oberfläche von Werkstücken, beispielsweise von Kunst­ stoffteilen, die durch diese Vorbehandlung für das anschließende Verkleben oder Bedrucken vorbereitet werden.

Die bekannte Koronadüse weist zwei Elektroden auf, an die mit Hilfe eines Koronagenerators eine Hochspannung, vorzugsweise eine Wechselspannung angelegt wird, so daß eine elektrische Entladung über einen zwischen den beiden Elektroden gebildeten Luftspalt hinweg erfolgt. Gleichzeitig wird durch den Luftspalt Gas, vorzugsweise Luft ausgeblasen, so daß die elektri­ sche Entladungszone deformiert wird und sich aus der Ebene des Luftspaltes heraus vorwölbt. Hierdurch ist es möglich, die zu behandelnde Werkstücko­ berfläche in die chemisch reaktive Entladungszone zu bringen.

Bei einer Ausführungsform der bekannten Koronadüse ist der Luftspalt ein Ringspalt zwischen einer flachen, scheibenförmigen Elektrode und einer die­ se umgebenden Ringelektrode. Da die elektrische Entladung die Tendenz hat, sich auf bestimmte Bereiche der Elektroden und des Luftspaltes zu kon­ zentrieren, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um eine über den gesamten Luftspalt im wesentlichen gleichmäßige Entladung sicherzu­ stellen. Dies wird bei der bekannten Koronadüse dadurch erreicht, daß stromaufwärts des Luftspaltes eine rotierende Lochscheibe angeordnet ist, die mit Hilfe eines im Düsengehäuse untergebrachten Elektromotors ange­ trieben wird. Die durch den Luftspalt ausgeblasene Luft tritt zuvor durch die Bohrungen der Lochscheibe hindurch. Die durch die Lochscheibe erzeugten Fluktuationen der Luftströmung, die das elektrische Entladungsmuster beein­ flussen, wandern aufgrund der Rotation der Lochscheibe in Umfangsrichtung längs des Ringspaltes, so daß im Mittel eine weitgehend gleichmäßige elek­ trische Entladung erreicht wird.

In einer anderen Ausführungsform ist die bekannte Koronadüse nicht als Ringdüse, sondern als lineare Schlitzdüse ausgebildet. In diesem Fall ist an­ stelle der rotierenden Lochscheibe beispielsweise ein gelochtes Endlosband vorgesehen, das sich in Längsrichtung an dem Luftspalt entlangbewegt.

In jedem Fall ist bei der bekannten Koronadüse zur Vergleichmäßigung der Entladung ein mechanisch bewegtes Bauteil vorgesehen, so daß für den An­ trieb und die Lagerung dieses Bauteils ein hoher konstruktiver Aufwand erfor­ derlich ist.

Aus DE 41 07 945 A1 ist eine Koronadüse bekannt, bei der die beiden Elek­ troden als Kugelkalotten ausgebildet sind, die einander mit ihren Scheitel­ punkten gegenüberliegen. Eine Düse zur Erzeugung des Gasstrahls ist senk­ recht zur Verbindungsgeraden der beiden Elektroden orientiert und auf den Zwischenraum zwischen deren Scheitelpunkten gerichtet. Da bei dieser Ko­ ronadüse der "Luftspalt" praktisch nur aus einem Punkt besteht und nicht in der Richtung quer zur Luftströmung ausgedehnt ist, stellt sich nicht das Problem, die elektrische Entladung über die Länge des Luftspaltes hinweg zu vergleichmäßigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Koronadüse der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen vereinfachten Aufbau aufweist und dennoch die Erzeugung einer auf der Länge des Luftspaltes im wesentlichen gleichmäßigen elektri­ schen Entladung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Patentanspruch 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß bildet eine der beiden Elektroden eine Seitenwand eines Strömungskanals, der sich stromaufwärts an den Luftspalt anschließt. In der dieser Elektrode gegenüberliegenden Seitenwand des Strömungskanals ist mindestens ein Gaseinlaß vorgesehen, der in bezug auf die Längsrichtung des Luftspalts schräg angestellt ist, so daß das über den Gaseinlaß eingeblasene Gas schräg auf die Elektrode auftrifft und somit überwiegend in einer Rich­ tung parallel zu dem Luftspalt abgelenkt wird. Das aus dem Luftspalt austre­ tende Gas hat folglich eine Strömungskomponente in Längsrichtung des Luft­ spaltes und bewirkt dadurch ein Wandern der elektrischen Entladungsbu­ schel längs des Luftspaltes. Auf diese Weise wird ein Entladungsmuster er­ reicht, das hinsichtlich der Gleichmäßigkeit dem mit der herkömmlichen Düse erreichten Entladungsmuster mindestens ebenbürtig ist, ohne daß die Düse irgendwelche mechanisch bewegten Teile aufzuweisen braucht. Hier­ durch wird nicht nur eine beträchtliche Kostenersparnis erzielt, sondern auch eine wesentlich kompaktere Bauweise der Düse ermöglicht, so daß auch schwer zugängliche Profilhohlräume von Werkstücken bearbeitet werden können.

Vortellhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Ebenso wie bei der herkömmlichen Koronadüse kann der Luftspalt wahlweise geradlinig oder ringförmig sein. Darüberhinaus kann der Luftspalt bei der er­ findungsgemaßen Düse auch die Form eines langgestreckten Ovals haben.

Im Fall eines ringförmigen oder ovalen Luftspalts ist bevorzugt die ringförmi­ ge äußere Elektrode geerdet, und die Hochspannung wird an die stift- oder klingenförmige innere Elektrode angelegt. Dies ist bei der erfindungsgemä­ ßen Düse deshalb möglich, weil im Inneren des Düsengehäuses kein Elektro­ motor für den Antrieb der Lochscheibe vorgesehen ist, so daß die Hochspan­ nung der inneren Elektrode zugeführt werden kann, ohne daß die Gefahr von Spanungsdurchschlägen besteht. Durch die Erdung der äußeren Elektrode wird die Gefahr von Kurzschlüssen und Verletzungen beträchtlich verringert, da die Gefahr einer versehentlichen Berührung bei der inneren Elektrode wesentlich kleiner ist als bei der äußeren Elektrode. Außerdem ist es mög­ lich, mehrere Koronadüsen dicht an dicht in einem gemeinsamen geerdeten Gehäuse oder einer geerdeten Platte anzuordnen, wobei das Gehäuse bzw. die Platte die äußeren Elektroden sämtlicher Düsen bildet. Auf diese Weise wird eine rationelle Koronabehandlung großflächiger, gegebenenfalls auch kompli­ ziert geformter Werkstücke ermöglicht.

Die innere Elektrode hat bevorzugt an ihrem dem Luftspalt zugewandten En­ de ein abgerundetes Profil. Das abgerundete Ende der Elektrode kann dann sehr gut von dem aus dem Luftspalt ausströmenden Gas umspült werden, und die Fußpunkte der elektrischen Entladungsbüschel können auf der gerunde­ ten Elektrodenoberfläche wandern, so daß ein besonders gleichmäßiges Ent­ ladungsmuster erreicht wird und außerdem eine thermische Schädigung der Elektrode vermieden wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Koronadüse gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine zur Hälfte aufgeschnittene Stirnansicht der Koronadüse nach Fig. 1; und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine lineare Koronadüse gemaß einem anderen Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1 gezeigte Koronadüse 10 weist ein zylindrisches Gehäuse 12 aus isolierendem Material, beispielsweise aus Kunststoff auf, das durch eine Trennwand 14 in eine Anschlußkammer 16 und eine Düsenkammer 18 un­ terteilt wird. Die Anschlußkammer 16 und die Düsenkammer 18 sind an den stirnseitigen Enden des Gehäuses 12 offen. In die Öffnung der Anschlußkam­ mer 16 ist ein Stopfen 20 lösbar eingesetzt. Die Öffnung der Düsenkammer 18 ist durch ein Mundstück 22 abgeschlossen, das ebenfalls aus isolierendem Material besteht und eine durchgehende Bohrung 24 aufweist, die sich axial an die Düsenkammer 18 anschließt und sich in einem mittleren Abschnitt zum auslaßseitigen Ende hin konisch verjüngt.

In der Düsenkammer 18 und der Bohrung 24 Ist koaxial eine erste Elektrode 26 angeordnet, die die Form eines Kreiskegels mit abgerundeter Spitze hat. Die Basis der Elektrode 26 liegt an der Trennwand 14 des Gehäuses 12 an, und ein mit der Elektrode 26 verbundener Anschlußstift 28 ragt durch die Trennwand in die Anschlußkammer 16. Mit Hilfe eines nicht gezeigten, den Stopfen 20 durchsetzenden oder an seiner Stelle in die Anschlußkammer 16 eingesteckten Hochspannungssteckers kann so an die Elektrode 26 eine von einem Koronagenerator erzeugte Wechselspannung in der Größenordnung von einigen kV angelegt werden.

Das freie Ende des Mundstücks 22 ist von einer als Ringelektrode ausgebilde­ ten zweiten Elektrode 30 umgeben. Diese Ringelektrode hat ein im wesentli­ chen L-förmiges Profil und ist mit einem zylindrischen Abschnitt auf dem Umfang des Mundstücks 22 gehalten, während ihr radialer Abschnitt an der unteren Stirnwand des Mundstücks 24 anliegt und etwas nach innen über den Rand der Bohrung 24 vorspringt. Zwischen dem inneren Rand der Elek­ trode 30 und der gerundeten Spitze der Elektrode 26 wird somit ein ringför­ miger Luftspalt 32 gebildet.

Die ringförmige Elektrode 30 ist geerdet. Wenn an der Elektrode 26 die von dem Koronagenerator erzeugte Hochspannung anliegt, so kommt es über den Luftspalt 32 hinweg zu einer Koronaentladung, die in der Zeichnung durch Entladungsbüschel 34 angedeutet wird.

In der Umfangswand der Düsenkammer 18 ist ein Gaseinlaß 36 vorgesehen, über den mit Hilfe eines nicht gezeigten Gebläses ein Gas, beispielsweise Luft, in die Düsenkammer 18 eingeleitet wird. Die kegelförmige Elektrode 26 begrenzt in der Düsenkammer 18 und in der Bohrung 24 des Mundstücks ei­ nen ringförmigen Strömungskanal 38, der von dem Gaseinlaß 36 zum Luft­ spalt 32 führt. Durch die aus dem Luftspalt 32 ausströmende Luft werden die Entladungsbüschel 34 bogenförmig ausgestülpt, so daß die Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks in den Wirkungsbereich der Entladungsbüschel 34 gebracht werden kann.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Lufteinlaß 36 nicht genau auf die Mitte des zylindrischen Gehäuses 12 gerichtet, sondern etwas in Umfangsrichtung angestellt, so daß die eintretende Luft an der Mantelfläche der Elektrode 26 vorzugsweise in einer Richtung abgelenkt wird und somit drallförmig durch den Strömungskanal 38 strömt, wie durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet wird. Die Luft durchströmt folglich den Strömungskanal 38 in der Form eines Wirbels, der sich vom Lufteinlaß 36 zum Luftspalt 32 hin entsprechend der Kegelform der Elektrode 26 und der Verjüngung der Bohrung 24 verengt. Die aus dem Luftspalt 32 ausströmende Luft hat somit eine relativ große Ge­ schwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung, mit der Folge, daß die Entla­ dungsbüschel 34 nicht nur axial, sondern auch in Umfangsrichtung verzerrt werden und der Luftströmung folgend auf dem ringförmigen Luftspalt 32 um­ laufen. In Versuchen hat sich gezeigt, daß hierdurch eine überaus gleichmä­ ßige Verteilung der elektrischen Entladung über die gesamte Stirnfläche der Koronadüse erreicht und somit eine gleichmäßige Oberflächenbehandlung des Werkstücks ermöglicht wird.

Im gezeigten Beispiel wird durch den vorspringenden inneren Rand der Elektrode 30 eine Turbulenzkante 40 gebildet, durch die die Luft am äuße­ ren Rand des Luftspalts zusätzlich verwirbelt wird. Auch dies trägt zu einer Vergleichmäßigung des Entladungsmusters bei.

Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Lufteinlaß 36 so zu orientieren, daß die durch die Mittelachse des Gehäuses 12 gehende und zur Achse des Lufteinlasses 36 parallele Ebene E den Mündungsquerschnitt des Lufteinlasses gerade eben noch anschneidet, so daß ein Teil der eintretenden Luft entgegen der Haupt-Drallrichtung abgelenkt wird. Hierdurch werden zu­ sätzliche Luftturbulenzen erzeugt, und außerdem läßt sich durch diese Maß­ nahme das Verhältnis zwischen Luftdurchsatz und Wirbelstärke so steuern, daß die Entladungsbüschel 34 genügend weit in Axialrichtung aus der Düse heraustreten.

Die abgerundete Spitze der Elektrode 36 liegt vorzugsweise gegenüber der Turbulenzkante 40 etwas zurück. Dies begünstigt die Tendenz der die abge­ rundete Spitze- umströmenden Luft, radial nach innen zur Wirbelachse zu strömen. Die Fußpunkte der Entladungsbüschel 34 werden dadurch nach in­ nen mitgenommen, so daß die Entladungsbüschel das Werkstück auf einer relativ großen radialen Länge überstreichen. Außerdem wird durch das Zu­ rückliegen der Elektrode 26 eine versehentliche Berührung dieser unter Hochspannung stehenden Elektrode verhindert.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die ringförmige Elektrode 30 einen verhältnismäßig großen Außendurchmesser aufweist und somit eine relativ große Stirnfläche bildet. Wenn eine im wesentlichen flache Werk­ stückoberfläche in die Nähe der Koronadüse gebracht wird, so muß die aus dem Luftspalt 32 ausströmende Luft durch einen verhältnismäßig schmalen Spalt zwischen der Elektrode 30 und der Werkstückoberfläche radial abströ­ men. Dabei werden die Fußpunkte der Entladungsbüschel 34 auf der Elektro­ de 30 nach außen mitgenommen, so daß die Entladungsbüschel einen noch größeren Bereich auf der Oberfläche des Werkstücks überstreichen. Bei ebe­ nen Werkstückoberflächen verursacht die abströmende Luft darüberhinaus einen Sog, der die Tendenz hat, das Werkstück an die Koronadüse bzw. die Koronadüse an das Werkstück heranzuziehen, bis ein Gleichgewicht zwischen diesem Sog und dem Staudruck der axial aus dem Luftspalt 32 austretenden Luft erreicht ist. Wenn das Werkstück oder die Koronadüse in Richtung der Düsenachse beweglich ist, regelt sich so der Abstand zwischen der Koronadü­ se und dem Werkstück selbsttätig auf einen Wert ein, bei dem die Werk­ stückoberfläche gleichmäßig und großflächig von den Entladungsbüscheln 34 überstrichen wird.

Der Kegelwinkel der konischen Elektrode 26, das heißt, der Winkel zwi­ schen der Düsenachse und einer Mantellinie des Kegels, beträgt im gezeigten Beispiel etwa 12°. Der Krümmungsradius der abgerundeten Spitze der Elek­ trode 26 liegt etwa in derselben Größenordnung wie die Breite des Luftspal­ tes 32.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Koronadüse 42 gemäß einer abgewan­ delten Ausführungsform, der dasselbe Funktionsprinzip wie der Koronadüse 10 nach Fig. 1 und 2 zugrunde liegt. Die Darstellung in Fig. 3 entspricht sinngemäß der rechten Hälfte der Fig. 2. Bei dieser Ausführungsform hat der Strömungskanal 38 und folglich auch der in Fig. 3 nicht erkennbare Luftspalt 32 nicht die Form eines Kreisrings, sondern eines langgestreckten Ovals. Die Koronadüse 42 eignet sich deshalb besonders zum Vorbehandeln von großflächigen, ebenen Werkstückoberflächen. Die Längserstreckung der Düse kann dabei in der Praxis noch wesentlich größer sein als in Fig. 3 ge­ zeigt ist.

Die Elektrode 26 hat in Fig. 3 nicht die Form eines Rotationskörpers, son­ dern die Form einer langgestreckten Rippe, die im gezeigten Beispiel an bei­ den Enden abgerundet ist. Das Profil der Elektrode ist etwa das Gleiche wie in Fig. 1, das heißt, die Elektrode verjüngt sich in Richtung auf den Luft­ spalt und ist am freien Ende abgerundet.

Auf jedem geraden Abschnitt des Strömungskanals 38 sind mehrere Gasein­ lässe 36 (zwei im gezeigten Beispiel) angeordnet. Die Achsen der Gaseinlässe sind analog zu Fig. 2 in bezug auf die Längsrichtung des Strömungskanals 38 und des zugehörigen Luftspalts schräg angestellt, so daß die eintretende Luft vorzugsweise in einer Richtung strömt. Auch hier hat somit die aus dem Luft­ spalt austretende Luft eine Komponente in Längsrichtung des Luftspaltes, so daß die dort gebildeten Entladungsbüschel in Längsrichtung des Luftspalts mitgenommen werden.

Da im gezeigten Beispiel die beiden geraden Abschnitte des Strömungskanals 38 an den Enden miteinander verbunden sind, kann ein Teil der Luft von ei­ nem geraden Abschnitt in den anderen geraden Abschnitt überströmen. Wahlweise ist es jedoch auch möglich, auf beiden Seiten der Elektrode 26 zwei getrennte Strömungskanäle zu bilden. Am Ende des Strömungskanals muß die in Vorzugsrichtung strömende Luft dann entweder durch den Luft­ spalt austreten oder durch eine gesonderte Auslaßöffnung abgeleitet werden. Bei dieser Ausführungsform ist es selbstverständlich auch möglich, lediglich einen einzigen Strömungskanal auf einer Seite der Elektrode 26 vorzusehen. Die geerdete Elektrode, die der Elektrode 30 in Fig. 2 entspricht, ist dann ebenfalls eine gerade langgestreckte Elektrode, die der Elektrode 26 jenseits des Luftspalts gegenüberliegt.

Claims (10)

1. Koronadüse für die Koronabehandlung der Oberfläche von Werkstücken, mit zwei auf einer Seite der zu behandelnden Oberfläche angeordneten, an einen Koronagenerator angeschlossenen Elektroden (26, 30), die längs einer geraden oder gekrümmten Linie etwa parallel zueinander verlaufen und zwi­ schen sich einen Luftspalt (32) bilden, und mit einer Einrichtung zur Erzeu­ gung einer durch den Luftspalt hindurch auf das Werkstück gerichteten Gas­ strömung, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste (26) der Elektroden eine Seitenwand eines sich stromaufwärts an den Luftspalt (32) anschließenden Strömungskanals (38) bildet und mindestens ein Gaseinlaß (36) in der dieser Elektrode gegenüberliegenden Seitenwand des Strömungskanals mündet und in bezug auf die Längsrichtung des Luftspalts (32) schräg angestellt ist.

2. Koronadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (26) ein Rotationskörper ist und die zweite Elektrode (30) eine Ringelektrode ist.

3. Koronadüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasein­ laß (36) in bezug auf die Radialrichtung der ersten Elektrode (26) so ange­ stellt ist, daß eine parallel zur Achse des Gaseinlasses (36) verlaufende und durch die Mittelachse der ersten Elektrode (26) gehende Ebene (E) den Mündungsquerschnitt des Gaseinlasses (36) anschneidet.

4. Koronadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Elektrode (26) die Form einer langgestreckten Rippe hat und mehrere Gaseinlässe (36) in einen auf einer Seite dieser Rippe gebil­ deten geraden Abschnitt des Strömungskanals (38) münden.

5. Koronadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die erste Elektrode (26) zu ihrem dem Luftspalt (32) zuge­ wandten Ende hin verjüngt.

6. Koronadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Strömungskanal (38) in einen zwischen dem Gaseinlaß (36) und dem Luftspalt (32) gelegenen konischen Abschnitt der Bohrung (24) zum Luftspalt (32) hin verengt.

7. Koronadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Elektrode (26) an ihrem dem Luftspalt zugewandten Ende abgerundet ist.

8. Koronadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Elektrode (30) eine über den Rand des Strömungs­ kanals (38) hinaus nach innen vorspringende Turbulenzkante (40) bildet.

9. Koronadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Elektrode (30) eine in der Ebene des Luftspalts (32) liegende flache Scheibe bildet.

10. Koronadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Elektrode (30) geerdet ist.