DE2240300A1

DE2240300A1 - Gegen hochtemperatur-lichtbogenbildung widerstandsfaehiger elektrostatischer entladungsapparat

Info

Publication number: DE2240300A1
Application number: DE2240300A
Authority: DE
Inventors: Guy F Barnett; Warren W Levy; Dolph Simons
Original assignee: Simco Co Inc
Current assignee: Simco Co Inc
Priority date: 1971-08-17
Filing date: 1972-08-16
Publication date: 1973-02-22
Also published as: IT962113B; US3735198A; JPS4830394A; DE2240300C2; CH552290A; NL7211166A; NL170999B; SE374859B; BE787591A; NL170999C; JPS5718306B2; FR2150145A5; GB1339704A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Hochspannungsapparate.zur Ionenerzeugung, etwa statische Aufladestäbe oder statische Neutralisierungsapparate, bei denen leitenden Entladungselementen oder -spitzen eine Hochspannung zugeführt wird, um eine Gaüionisation zu "bewirken und dadurch geladene Ionen zu erzeugen. Die Erfindung, betrifft insbesondere ein System zum Schutz derjenigen Kunststoff-Bauelemente, die zur Isolation der liocnapannung führenden Teile verwendet werden, gegen durch Lichtbogenbildung verursachte Hochtemperatur-Beschädigungen. Die Erfindung befaßt sich also mit einer Einrichtung, die verhindert, daß Hochspannungo-Ijolatoren ode«c -Träger abbrennen, Kohlonstoifspuren riehen (carbun tracking) und verdampfen oder sublimieren, wenn sich öl, Schmutz oder sonstig« Premdpartikei * auf ihrer Oberfläche sammeln.

Statische Aufladung^- \rid lleutr:i.li.iierungsapparate werden bei der Steuerung einer großen Anzahl von Verfahren eingesetzt, bei denen die Haftung eines Gegenstands ar. einem anderen elektro-

309808/0315

ßtatisch reguliert werden soll, beispielsweise ein Papierbogen an einer bevorzugten Roll«; einer Druckmaschine angeheftet oder derartige Bögen beim Stapeln neutralisiert werden aollen. Genereil wird dabei Hochspannung an üntladungaeleisente, gewöhnlich Spitzen, derartiger Apparate angelegt, wobei os i;ich im Falle von Aufladung.sstuben um Gleichspannung uad im Falle von Neutralisationsapparaten um Wechselspannung handelt, um Ionen der einen oder der anderen Polarität oder beider Polaritäten gleichzeitig zu erzeugen. Beispielsweise wird bei einem Aufladungsstab den Spitzen ein Gleichspannungspotential von vielleicht 25 KV positiv oder negativ aus einer Energiequelle oder Hetzeinheit zugeführt, die einen Strom von bis zu 10 mA abzugeben vermag.

Werden nun Erde oder geerdete Teile in die Nähe der Entladungsepitzen gebracht, so könnte eine erhebliche, schwäre Lichtbogenbildung auftreten. Da die Umgebung, in der solche Hochspannungsapparate zur Ionenerzeugung in der Industrie oder im gewerbsmäßigen Gebrauch eingesetzt werden, gewöhnlich bestenfalls nur wenig gründlich gesäubert sind, besteht die Tendenz, daß eich öl, Schmutz, Staub und sonstige leitende Fremdstoffe an der Oberfläche des isolierenden Gehäuses, in das die Spitzen eingebettet sind, an den Stützen, mit denen die Stäbe an den Maschinen montiert sind, sowie an der Isolation der Leitungen und Drähte, die die Spitzen mit der Hochspannungsquelle verbinden, ablagern. Daher kann sich von den Hochspannungsspitzen über den Schmutz-oder Ölfilm zu dem geerdeten Maschinenrahmen oder dem geerdeten Gehäuse der Energiequelle ein leitender Pfad bilden. Infolge der entstehenden Hochtemperatur-Lichtbögen sind das Kunststoffgehäuse des Stabes und/oder Leitungsie οlationen der Kohienstoffspurbildung, einem tatsächlichen Abbrennen sowie der Verdampfung oder Sublimation ausgesetzt.

Um derartige Hochtemperatur-Beschädigungen von Kunststoff» Bauelementen zu vermelden, 1st es möglich, spezielle Isolations·

309808/0315

. ■■ ■-

BAD ORIGINAL

und dielektrische Materialien, etwa keramische Stoffe, au verwenden, die an sich hochtemperaturbeständig sind und durch die durch Lichtbogen verursachten Temperaturwixkungen nicht beeinträchtigt werden. Derartige exotische keramische Stoffe (Tonerde, Steatit, Quarz usw.) Bind nicht nur außerordentlich teuer, sondern führen auch auf Grund ihrer harten und gewöhnlich cpröden Eigenschaften zu Schwierigkeiten beim Zusammenbau des Stabes. So könnte die Verwendung eines keramischen Isolationselements, dessen Länge einige Zentimeter überschx-eitet, aus Kostengründen unzulässig sein, während statische Aufladestäbe in Längen von 2 Metern und dar über nicht ungewöhnlich sind. Im Gegenteil lassen sich. Kunststoffgehäuse aus Polyvinylchlorid oder Tetrafluoräthylen, die durch Hochtemperatur-Lichtbogen beschädigt \.erden, ohne weiteres mit beliebiger Länge extrudieren und auf gewünschte Länge zuschneiden, und diese Kunststoffe kosten nur einen Brachteil von keramischen Stoffen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Verwendung von leicht zu extrudierenden und billigen Kunststoff-Gehäuseabschnitten aus Polyvinylchlorid, Tetrafluoräthylen und'dergleichen wie früher, wobei jedoch l'.urze Abschnitte aus keramischen Bauelementen vorhanden sind, die als Abschlußkappen oder Abstandseieiaente dienen, über die die Stäbe an geerdeten Maschinenrahmen montiert oder nit geerdeten Teilen verbunden sind. Zwischen den hitzeempfindlichen Kunststoffelementen und den jeweils benachbarten hitzewiderstandsfähigen keramischen Bauelementen ist jeweils ein leitendes Element eingebaut, um die beiden Materialien voneinander zu trennen. Genau die gleiche Kochspannung, die an den Entladungtfspitzen oder sonstigen lonisierungseinrichtungen liegt, wird den leitenden Trenneleraenten zugeführt, so daß in Wirklichkeit an den empfindlichen Kunststoff-Elementen kein hohes Potential besteht; Der gesarate Koclispannungßgra&ient liegt dadurch an den keramischen Elementen zwischen den leitenden Trennelementen und Erde v.l. Etwa entstehende Lichtbogen treten daher an den keramischen Element en auf_f die nicht beschäd-igt weruenV wobei Öl-

303808/Q31.5' g^p ORiGINAL

oder·Schmutzschichten, die sich an den keramischen Oberflächen bilden, wegen der glatten und harten Oberfläche der keramischen Elemente leicht abputzen lassen. Da sämtliche Teile der Kunststoff-Elemente auf gleichem Potential liegen, kann durch einen sich auf der Oberfläche dieser Kunststoff-Elemente bildenden leitenden Film kein Lichtbogen erzeugt werden.

•Aufgabe der Erfindung ist es also, einen statischen Hochspannungs-Entladungsapparat zu schaffen, der keinen Hochtemperatur-Beschädigungen infolge von Lichtbogenbildung ausgesetzt ist. Ein solcher Apparat soll sich dabei leicht und billig herstellen und in einem gegen Lichtbogen widerstandsfähigen Zustand halten lassen. Ferner soll der erfindungsgemäße Apparat in seinem Aufbau stabil und im Betrieb leistungsfähig sein.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen statischen Hochspannungs-Ladungsstabes;

Fig. 2 einen Längsschnitt längs der Linie 2-2 der Fig..1; Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 2;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung; und

- Fig. 6 einen Längsschnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 5·

In den Zeichnungen, in denen entsprechende oder gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist ein erfindungsgemäßer statischer Aufladungsstab gezeigt, der ein generell mit A bezeichnetes Gehäuse, eine Vielzahl von aus dem Gehäuse hervorstehenden Entladungsspitzen B, die mittels

309808/0315

eineB Kabels C an eine Hochspannungsquelle G angeschlossen sind, sowie Abstandseleraente oder Säulen D zur Befestigung des Stabes an dem Rahmen einer Maschine oder eines Apparates umfaßt. Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind an jedem Ende des Gehäuses A Abschlußisolatoren oder Abschlußkappen E angebaut, an denen der Stab über Bänder oder Schellen F am Maschinenrahmen montiert sind; bei diesem ersten Ausführungsbeispiel dienen die Abstandselemente D zur Unterstützung des Mittelabschnitts des Stabes. Die Abschlußisolatoren E und die Abstandselemente D (bzw. die Stützen D nach Fig. 5 und 6) bestehen aus einem speziellen Werkstoff, der gegen Hochtemperatur-Lichtbogenbildung widerstandsfähig ist, während das Gehäuse A des Stabe3 aus herkömmlichen Kunststoffen hergestellt ist. Zwischen dem Gehäuse A und den Abschlußisolatoren E sind zur Trennung dieser Elemente voneinander leitende Ringscheiben E1 eingebaut, die mit der gleichen Hochspannung ' wie die Entladungespitzen verbunden sind. In ähnlicher Weise sind leitende Ringe 1)1 an den Abatandselementen bzw. Stützen D vorgesehen, die mit der Hochspannung verbunden sind und das Gehäuse A von dem speziellen isolierenden Teil der Elemente D trennen. Auf diese Art und Weise wird die gesamte Isolationslast des Stabes gegenüber Erde (d.h. gegenüber dem Maschinenrahmen) von den hochtemperatur-widerstandsfähigen Abschlußisolatoren E und/oder dem hochtemperatur-widerstandsfähigen isolierenden Abschnitt 30 der Abstandselemente D getragen. Andererseits tritt an den empfindlichen Kunststoffteilen des Gehäuses A kein Spannungsgradient auf, da die gleiche Hochspannung an den Spitzen B wie an den jeweiligen Stellen E1 bzw. D1 existiert, an denen der Stab in der Nähe eines ge- . erdeten Teils isoliert unterstützt ist.

Dao Gehäuse A umfaßt einen länglichen isolierenden Abschnitt 12i der aus geeignetem Kunststoffmaterial, etwa Tetrafluoräthylen, extrudiert ist. Nach oben verlaufende Plansche 14 bilden einen in Längsrichtung angeordneten mittleren Kanal 16, durch den die Spitzen B hervorstehen, sowie Schlitze oder Pu-

309808/0315

gen,- die die entsprechenden Kanten eines geschlitzten Rohrelemente3 18 aufnehmen. Das Rohrelement 18 ist aus billigem Kunststoff-Isolationsmaterial, etwa Polyvinylchlorid, extrudiert und auf eine Länge zugeschnitten, die generell gleich der Länge des Abschnitts 12 ist. Diese Länge kann im Bereich weniger Zentimeter bis über zwei Meter liegen. _%

• Bei dem Kabel C handelt es sich um einen Konventionellen isolierten Draht mit einer leitenden Seele 20 und mehreren Isolationsschichten oder -Umhüllungen, die eine hohe dielektrische Durchbruchsspannung vermitteln. Das Kabel C ist mit enger Passung durch eine Bohrung in dem Abschnitt 12 so weit hindurchgeführt, daß es im wesentlichen mit dem entgegengesetzten Ende abschließt. Die Spitzen B, bei denen es sich beispielsweise um doppelseitige Stahlnadeln handelt, sind durch quer durch den Abschnitt 12 verlaufende und in Längsrichtung verteilte Löcher gepreßt, so daß sie die Kabelisolation durchstechen und mit der leitenden Kabelseele in Eingriff treten.

Die Abschlußisolätoren E sind aus iiochtemperatur-beständigem dielektrischen Material, etwa Keramik, Tonerde, Steatit, Quarz oder dergleichen, geformt. Der äußere Teil 22 jedes Abschlußisolators E weist einen Umfang auf, der im wesentlichen dem dee Rohrelements 18 entspricht, und umfaßt einen Dorn 24, der sich in den von den Wänden des Abschnitts 12 und des Rohrelements 18 gebildeten Hohlraum einschieben läßt und dicht hineinpaßt. Nahe dem äußeren Ende weist, jeder keramische Abschlußisolator B einen Wulst 25 auf, der einen praktischen Anschlag zur Abstützung der Befestigungsschellen. P bildet. Die Schellen F sind vollkommen konventionell; sie bestehen aus Metall, etwa Stahl, und dienen dazu, den Stab an dem Rahmen F1 einer Maschine zu befestigen.

Die Ringscheiben E1 sind zwischen dem äußeren Abschnitt der Abschlußisolatoren E und dem Gehäuse A angeordnet. Jede Ringscheibe E1 besteht aus leitendem Material, etwa Messing

309808/0315

oder Stahl, und umfaßt eine Lasche 26 mit einer Öffnung, die die letzte Entladungsspitze B der Reihe sicher umklammert und mit dieser in guter elektrisch leitender Verbindung steht. Auch andere Arten der Verbindung der Ringscheibe Et mit der Hochspannung sind denkbar, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

. Das mittlere Abstand3element D in der Ausführungsform nach Fig. 1 und die Stützen D. in der Ausführungsfarm nach Fig. 5 sind grundsätzlich gleich. Jedes dieser Elemente D umfaßt einen PuSabschnitt 30 aus hoehtemperatur-beständigem Isoliermaterial wie etwa Keramik oder dergleichen, der den statischen Stab vom Maschinenrahmen P1 in Abstand hält und gleichseitig stützt, sowie einen leitenden Ring Dt, der mittels einer möwenflügel-förmigen Klammer "DZ mit Hochspannung verbunden ist. Die Klammer D2 besteht beispielsweise aus Stahl und umfaßt einen mittleren Abschnitt 32, der in den Kanal 16 dee Abschnitts 12 hineinpaßt. Ein in dem mittleren Abschnitt 32 vorgesehenes Loch umgreift eine In der Mitte angeordnete Spitze B dicht, so daß zwischen der Spitze B, der Klammer D2 und dem Ring Dt eleherer elektrischer Kontakt besteht. Unter dem Ring 31 ist das.geschlitzte Rohrelement von einer isolierenden Manschette 36 umgeben* die zur Stützung und zur gleichmäßigen Verteilung des Druckes dient. Der Ring Dt selbst kenn über einen Gewindebolzen 38 an dem keramischen Abschnitt 30 befestigt sein.

Das Kabel C verläuft durch eine Längsbohrung 40 in dem Abschlußisolator E und wird darin durch ein schraubbares Kunststoff-Klemmelement 42 gehalten. Die Seele 20 des Kabels C ist an die Gleieta-Hoehsparmungsquelle G angeschlossen, die eine Spannung von bis zu 50000 V bei einem Strom von bis zu 20 iaA abgibt. · ΐ

309808/0315

DA-K888 - 8 -

Bei der in Fig. 5 und *6 gezeigten Augführungsform dienen Kappen 44 und 46 zum Verschließen der Enden des Gehäuses A, wobei ihr Aufbau, abgesehen von den an den Enden vorgesehenen Stützen, grundsätzlich der gleiche i3t wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Da sich jedoch ein Schmutz- oder Ölfilm auf der Oberfläche des Kabels C und der Kappe 46 zwischen dem Ring D1 und dem geerdeten Gehäuse der Hochspsnnungsquelle G (bzw. einem metallischen Maschinenrahmen, den das Kabel C möglicherweise berührt) bildet, besteht die Kappe 46 vorzugsweise aus keramischem Werkstoff, um die Reinigung zu erleichtern und den Widerstand gegen Hochtemperatur-Beschädigungen durch Brennen, Kohlenstoff-Spurbildung, Verdampfung oder Sublimation zu erhöhen.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, sind sämtliche Teile des hitzeempfindlichen isolierenden Gehäuses A in wirksamer Weise durch ein leitendes Element gegenüber der keramischen Stütze oder dem sonstigen hochtemperatur-beständigen Material, das den Stab mit dem benachbarten geerdeten Teil verbindet, getrennt. Da die Spitzen und die leitenden Trenneleraente alle auf der gleichen Hochspannung liegen, kann ein sich auf der Oberfläche des Gehäuses A sammelnder öl- oder Schmutzfilm keine Funkenbildung daran bewirken. Vielmehr besteht der gesamte Spannungsgradient an dem widerstandsfähigen skeramischen Material, das sich leicht reinigen läßt, wobei selbst dann, wenn Staub, Schmutz oder öl einen Lichtbogen an den keramischen Abstandeeleaenten bzw. Stützen D oder an den Ab3chlußisolatore.n E hervorrufen sollte, kein Schaden entstünde.

309808/03Ί5

Claims

Patentansprüche

©Elektrostatischer Hochspannungs-Entladungsapparat, g e - ·

kennzeichnet durch ein isolierendes Gehäuse (A), das gegen Hochtemperatur-Beschädigungen infolge von Lichtbogenbildung empfindlich ist, eine Entladungseinrichtung (B), die in dem Gehäuse angeordnet ist und daraus herausragt und zur Hochspannungs-Gasionisatipn dient, m±ndestens ein isolierendes Element (D,E), das gegen Beschädigungen durch Hochspannungs-Lichtbogen widerstandsfähig ist und dao isolierende Gehäuse von benachbarter Erde trennt, ferner ein zwischen daa isolierende Gehäuse und jedes der isolierenden Elemente eingefügtes leitendes Element (D1, E1), das die Oberfläche des isolierenden Gehäuses von dem jeweiligen isolierenden Element trennt, sowie eine Einrichtung (C* G, 26, D2) zur Zuführung einer Hochspannung gegenüber Grund an die Entladungseinrichtung und gleichzeitig an jedes der leitenden Elemente, so daß das isolierende Gehäuse auf gleichmäßiger Spannung isoliert ist und die gesamte Hochspannung gegenüber Erde an den isolierenden Elementen abfällt. «
2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung einer Hochspannung gegenüber Erde aus einer Gleichspannungsquelle (G) beateht.

309808/0315
3. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η ή -zeichnet, daß die Entladungseinrichtung eine Vielzahl von Spitzen (B) umfaßt.
4. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3_t dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Gehäuse (A) aus thermoplastischem Material und die isolierenden Elemente (D, E) aus keramischem Werkstoff bestehen.
5. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e -kennzeichnet, daß das isolierende Gehäuse (A) länglichen Aufbau aufweist und daß jeweils ein isolierendes Element (E) mit den Enden des Gehäuses verbunden ist.
6. Apparat nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der isolierenden Elemente eine Stütze (D) umfaßt, die quer zu dem isolierenden Gehäuse (A) angeordnet ist.

7« Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der leitenden EIeotente einen Ring (D1, El) umfaßt, der mit der nächsten benachbarten Spitze (B) verbunden ist·

Θ. Apparat, nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß jedes der isolierenden Elemente (E) in Längsrichtung mit dem isolierenden Gehäuse (A) fluchtend angeordnet ist.

309308/0315

Leer seife