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Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von folien-
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artigen Werkstoffen mit Koronaentladungen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von folienartigen Werkstoffen mit
Koronaentladungen, mit einem eine hochfrequente Hochspannung erzeugenden Generator
und mindestens einem Elektrodenpaar, zwischen dem der folienartige Werkstoff hindurchgeführt
wird, wobei das Elektrodenpaar eine vorzugsweise als Elektrodenwalze ausgebildete
Basiselektrode aufweist, an der sich der folienartige Werkstoff abstützt.
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Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen der Basiselektrode
eine oder mehrere Messerelektroden zugeordnet sind.
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Eine gleichmäßige, flächendeckendeBehandlung der über die Basiselektrode
geführten folienartigen Werkstoffe ist bei diesem Elektrodensystem auch dann nicht
erreichtbar, wenn man den Elektroden eine erhöhte elektrische Energie zur Verfügung
stellt.
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Bisher hat man die elektrische Energie mit zunehmender Geschwindigkeit
der zu behandelnden folienartigen Werkstoffe gesteigert. Der Erhöhung der den Elektroden
zugeführten Energie sind jedoch auch durch den Werkstoff der zu behandelnden Materialbahnen
Grenzen gesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so zu gestalten und die der Basiselektrode, z.B.
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der Elektrodenwalze, zugeordnete Gegenelektrode bzw. die zugeordneten
Gegenelektroden so auszubilden, daß eine flächendeckende Behandlung der Folie erzielt
wird, auch dann, wenn der folienartige zu behandelnde Werkstoff mit hoher Geschwindigkeit
die Vorrichtung durchläuft.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als Gegenelektrode
eine mit einer Reihe von Entladungsspitzen versehene, im Grundriß plattenförmige
Elektrode vorgesehen ist.
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Durch diese Elektrode werden auf dem zu behandelnden folienartigen
Werkstoff mit geringem Abstand nebeneinander liegende Haftzentren erzeugt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, bei der der
Basiselektrode mehrere Gegenelektroden zugeordnet sind, weist die mit ihren Koronaentladungen
den folienartigen Werkstoff zuerst behandelnde Gegenelektrode eine Reihe von Entladungsspitzen
auf. Die für die Erstbehandlung durch die mit Spitzen versehene Elektrode zur Verfügung
gestellte elektrische Energie kann wesentlich geringer sein als die elektrische
Energie, die der oder den Folgeelektroden zugeführt wird.
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Durch die mit einer Spitzenreihe ausgerüstete Elektrode, die die Erstbehandlung
des folienartigen Werkstoffes vornimmt, wird ein Rastersystem eng nebeneinanderliegender
Haftzentren geschaffen, an denen sich die elektrischen Entladungen der Folgeelektroden
orientieren. Die gleichmäßige Verteilung der durch die mit einer Spitzenreihe ausgerüsteten
Elektrode geschaffenen Haftzentren bildet die Basis für die Gleichmäßigkeit der
Entladungswirkung der Folgeelektroden, so daß sich ein flächendeckendes Behandlungsergebnis
ergibt.
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Auch wenn der folienartige Werkstoff mit einer erhöhten Geschwindigkeit
von z.B. 600 m/min über die Basiselektrode läuft, kann die die Erstbehandlung vornehmende,
mit einer Spitzenreihe ausgerüstete Elektrode mit einer geringen elektrischen Energie
betrieben werden.
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Es ist ausreichend, wenn durch die Erstbehandlung ein gleichmäßiges
Rastersystem von Haftzentren auf dem folienartigen Werkstoff erzeugt wird. Der Intensität
dieser Haftzentren kommt nur eine untergeordnete Bedeutung zu.
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Eine bekannte Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von folienartigen
Werkstoffen mit Koronaentladungen und Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Konstruktionen
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung mit einer als Messerelektrode ausgebildeten Gegenelektrode,
die einer Elektrodenwalze zugeordnet ist, Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles
II in Fig. 1, Fig. 3 den folienartigen Werkstoff mit den ungleichmäßig verteilten
Haftzentren, die durch das Elektrodensystem nach den Fig. 1 und 2 erzeugt wurden,
Fig. 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die Gegenelektrode mit einer Entladungsspitzenreihe
ausgerüstet ist, Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles V in Fig. 4, Fig. 6
den folienartigen Werkstoff mit einer durch die Vorrichtung nach den Fig. 4 und
5 erzeugten, gleichmäßigen Verteilung der Haftzentren, Fig. 7 eine Vorrichtung,
bei der der Basiselektrode zwei mit einer Entladungsspitzenreihe ausgerüstete, zueinander
versetzte Gegenelektroden zugeordnet sind, Fig. 8 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles
VIII in Fig. 7, Fig. 9 die auf dem folienartigen Werkstoff durch die Vorrichtung
nach den Fig. 7 und 8 erzeugte, rasterartige Verteilung der Haftzentren,
Fig.
10 eine Vorrichtung mit zwei mit einer Entladungsspitzenreihe ausgestatteten Gegenelektroden
und einer Messerelektrode als Folgeelektrode, Fig. 11 eine Ansicht in Richtung des
Pfeiles XI, Fig. 12 die durch die Vorrichtung nach den Fig. 10 und 11 auf dem folienartigen
Werkstoff erzielte Haftzentrenverteilung, Fig. 13 eine schematische Darstellung
eines Elektrodensystems mit zwei in ihrer Längsachse bewegbaren Gegenelektroden,
Fig. 14 ein Elektrodenpaar, bei dem Gegenelektrode Hilfselektroden zugeordnet sind,
Fig. 15 eine Ansicht in Richtung Pfeiles XV in Fig. 14, Fig. 16 ein Elektrodenpaar,
bei dem die Gegenelektrode mit einer Heat-Pipe-Kühlung ausgestattet ist, Fig. 17
ein Ansicht in Richtung des Pfeiles XVII in Fig. 16, Fig. 18 eine Abwandlung des
Ausführungsbeispieles nach Fig. 6, Fig. 19 ein Elektrodenpaar, bei dem die Gegenelektrode
mit einem Dielektrikum ausgerüstet ist, Fig. 20 in vergrößertem Maßstab das das
Dielektrikum bildende Profil im Querschnitt, Fig. 21 eine Vorrichtung, bei der sich
der folienartige Werkstoff im Bereich des Elektrodenpaares von der Elektrodenwalze
abhebt, Fig, 22 eine Vorrichtung, bei der die Elektroden zusätzlich an einer Hochspannungsgleichstromquelle
liegen, um den folienartigen Werkstoff an die Basiselektrode zu drücken und Fig.
23 in schematischer Darstellung ein weiteres Asführungsbeispiel.
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In den Fig. 1 und 2 ist eine bekannte Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
von folienartigen Werkstoffen 1 mit Koronaentladungen dargestellt. Diese Vorrichtung
weist einen eine hochfrequente Hochspannung erzeugenden Generator 2 auf, von dem
aus die elektrische Energie über
Leitungen 3,4 an eine Basiselektrode
5, die als Elektrodenwalze ausgebildet und mit einem Dielektrikum 6 versehen ist.
und an eine als Messerelektrode gestaltete Gegenelektrode 7 geführt wird. Zwischen
den Elektroden entwickelt sich eine Koronaentladung 8, durch die der folienartige
Werkstoff 1, der in Richtung der in der Fig. 1 aufgezeigten Pfeile über die Basiselektrode
geführt wird, elektrisch behandelt wird. Hierbei entwickeln sich auf dem folienartigen
Werkstoff 1 Haftzentren, deren ungleichmäßige Verteilung sich aus der Fig. 3 ergibt.
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Zwischen der Basiselektrode 5 und der Gegenelektrode 7 entwickelt
sich eine Koronaentladung 8 in sehr unregelmäßiger Form. Entsprechend dieser Unregelmäßigkeit
entstehen -auch unregelmäßige Entladungsbilder 9 auf der Oberfläche des folienartigen
Werkstoffes 1. Die Ursache hierfür liegt in der Entwicklung der blitzartigen Entladung
in Abhängigkeit von der Entladungsfrequenz und der Entladungssspannung sowie der
Verdrängung durch elektrische Feldkräfte entlang der Elektrodenkante.
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Die erfindungsgemäßeVorrichtung zur Oberflächenbehandlung von folienartigen
Werkstoffen mit Koronaentladungen nach den Fig. 4 und 5 weist eine Gegenelektrode
10 auf, die, wie sich aus der Fig. 5 ergibt, mit einer Reihe von Entladungsspitzen
11 ausgerüstet ist. Die Gegenelektrode 10 ist im Grundriß plattenförmigausgebildet,
wobei die Dicke der plattenförmigen Elektrode kleiner ist als 1,5 mm.
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Die Gegenelektrode 10 ist sägezahnartig gestaltet. Es hat sich als
vorteilhaft herausgestellt, als Abstand zweier benachbarter Entladungsspitzen ca.
5 mm und als Tiefe der Ausnehmung zwischen zwei benarhbarten Entladungssptitzen
ebenfalls#ca. 5 mm zu wählen.
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Aus den Fig. 5 ung 6 ergibt sich, daß durch die Ausrüstung der Gegenelektrode
10 mit einer Reihe von Entladungsspitzen 11 sich beim Durchlauf des folienartigen
Wekstoffes durch den vom Elektrodenpaar begrenzten Spalt eine in Längsrichtung orientierte
regelmäßige Ansammlung an
Haftzentren 12 erreicht wird. Damit diese
Haftzentrenansammlung nicht nur als schmale Spur verläuft, sind die die Koronentladung
ergebenden Entladungsspitzen 11 so dimensionsmäßig ausgebildet, daß durch die elektrischeFeldverdrängung
ein in Grenzen sich bewegender Fläche,.effekt im Bereich der Haftzentrenbildung
einsetzt.
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Zur Steigerung der Flächendeckung sind bei dem Ausführungsbeispiel
in den Fig. 7 und 8 zwei Gegenelektroden 10 vorgesehen, die jeweils mit einer Reihe
von Entladungsspitzen ausgerüstet sind. Aus der Fig. 8 ergibt sich, daß die Entladungsspitzen
der einen Gegenelektrode zu denen der anderen versetzt sind, so daß sich auf dem
folienartigen Werkstoff 1, wie in der Fig. 9 dargestellt, eine gleichmäßige Rasterverteilung
von Haftzentren 12 aufgrund der elektrischen Behandlung ergibt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 10 und 11 sind der Basiselektrode
5 drei Gegenelektroden zugeordnet, und zwar zwei mit einer Entladungsspitzenreihe
ausgerüstete Gegenelektroden 10 und eine Messerelektrode 7.
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Die mit Entladungsspitzenreihen versehenen Gegenelektroden 10 behandeln
zuerst den die Basiselektrode 5 umlaufenden folienartigen Werkstoff mit Koronaentladungen
und darauf wird als Folgeelektrode die Gegenelektrode 7 wirksam.
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Die für die Erstbehandlung durch die mit Entladungsspitzen 11 versehene
Gegenelektrode 10 zur Verfügung gestellte elektrische Energie kann wesentlich kleiner
sein als die elektrische Energie, die der oder den Folgeelektroden zur Verfügung
gestellt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 10 ist in der vom Generator
2 zu den Gegenelektroden 10 führenden Leitung 3.eine elektrische Regeleinrichtung
13 angeordnet, die als elektrischer Widerstand oder als Transformator ausgebildet
sein kann, so daß den Gegenelektroden 10 eine geringere Energie zur Verfügung gestellt
wird als der als Messer« elektrode ausgebildeten Gegenelektrode 7.
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Durch die Koronaentladungen der Gegenelektroden 10 wird, wie in der
Fig. 12 aufgezeigt, eine gleichmäßige Verteilung der Haftzentren 12 über die gesamte
zu behandelnde Fläche des folienartigen Werkstoffes 1 erreicht. An diesen Haftzentren
12 orientiert sich die mit höherer Intensität wirkende, durch die Folgeelektrode
7 erzeugte Koronaentladung, so daß die Haftzentren ein höheres Energieniveau bekommen
und somit eine Steigerung der Adhäsionskräfte erfolgt.
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Es ist auch denkbar, daß als Folgeelektroden mehrere Messerelektroden
oder Walzenelektroden eingesetzt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 10 ist in der vom Generator
2 zur Basiselektrode 5 führenden Leitung 4 ein Schaltmittel 14 vorgesehen, durch
das eine Zündung der Koronaentladungen nach einer einstellbaren Frequenz ermöglicht
wird. Hierdurch wird eine Erhöhung der Anzahl der Haftzentren pro cm2 erreicht.
Damit der Zünd- bzw. Entladungsrhythmus und dessen Wirkung immer in einem gleichen
gewünschten Abstand auf dem folienartigen Werkstoff 1 auch bei unterschiedlichen
Bahngeschwindigkeiten des Werkstoffes erfolgt, kann das Zündsignal durch ein Tachometer
15 beeinflußt werden.
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In der Fig. 8 wurde eine Vorrichtung aufgezeigt, bei der zwei mit
Entladungsspitzen ausgerüstete Gegenelektroden vorhanden sind und bei denen die
Entladungsspitzen so zueinander versetzt sind, daß sie auf Lücke stehen.
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In der Fig. 13 ist eine Konstruktion schematisch aufgezeigt, bei der
die Gegenelektroden 10 in ihrer Längsachse während des Betriebes hin-und herbewegbar
sind und mittels eines Antriebes 16 bewegt werden.
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Dieser Antrieb 16 ist mit einem Antrieb 17 der Basiselektrode 5 gekoppelt.
Die Hin- und Herbewegung der Gegenelektroden 10 erfolgt somit in einem abgestimmten
Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit der den folienartigen Werkstoff transportierenden
Basiselektrode.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 14 und 15 ist die Gegenelektrode
10 mit Hilfselektroden 18 ausgerüstet, wobei an jeder Längsseite der Ge-
genelektrode
10 eine sich nahezu über die gesamte Länge erstreckende Hilfselektrode 18 vorgesehen
ist. Durch das von den Hilfselektroden erzeugte elektrische Feld, das in der Fig.
15 angedeutet ist, wird die durch die Entladungsspitzen 11 erzeugte Koronentladung
8 konzentriert. Ober/die elektrischen Feldlinien der Hilfselektroden werden störende
Einzelentladungen an der Gegenelektrode unterbunden, so daß für die Behandlung des
folienartigen Werkstoffes nur die Koronantladung 8 wirksam wird.
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Die Erzeugung gleichmäßig verteilter Haftzentren mit hoher Adhäsion
ist auch von der mechanischen bleranz der Elektroden abhänyig. Dem zwischen dem
Elektrodenpaar vorgesehenen Spalt kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Selbst
bei hoher Fertigungsqualität des Elektrodensystems verändern sich die von den Elektroden
begrenzten Spalte, durch die der folienartige Werkstoff geführt wird, und zwar durch
Materialerwärmung. Da die Gegenelektrode im Gegensatz zu der sich drehenden Elektrodenwalze,
die die Basiselektrode bildet, in einer ortsfesten Position verharrt und die für
die Entladung notwendiqe Energie übertragen muß, ist sie infolge der Verlustwärme
stark verzugsyefährdet.
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Hinzu kommt, daß die Temperaturen an den Elektroden nicht so hoch
werden dürfen, daß bei der Entladung entstehendes Ozon zerfällt, da sonst die Wirksamkeit
der elektrischen Koronaentladung zur Bildung von Haftzentren gemindert wird.
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Um eine intensive Kühlung der Gegenelektrode 10 zu erreichen, wird
bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 16,17.18 das Heat-Pipe-Kühisystem verwendet.
Bei diesem Kühlsystem findet in seinem Inneren durch eine besondere Materialausführung
und Verwendung einer Flüssigkeit als Wärmeträger eine Wärmeabführung von der Wärmequelle
mit Schallgeschwindigkeit statt. Die sich an der Materialoberfläche der Gegenelektrode
10 während des Betriebes entwickelnde Wärme wird somit aufgrund dieser Funktionsweise
des Heat-Pipe-Systems sehr schnell abgeführt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 16 ist die Gegenelektrode
10 als Heat-Pipe-System ausgebildet, bei dem die an der Gegenelektrode ent-
stehende
Wärme gemäß der Funktionslinie 19 in einen Kühler 20 geführt wird, von dem aus die
Verlustwärme mit einem Lüfter 21 wegefördert wird.
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Beim Gegenstand der Fig. 18 sind die Heat-Pipes 22 an den Längsseiten
der Gegenelektrode 10 vorgesehen.
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Die vorteilhafte Wärmeabführung unter Verwendung des Heat-Pipe-Systems
ermöglicht es auch, die Gegenelektrode 10 und Folgeelektroden, die als Gegenelektroden
eingesetzt werden, mit einem Dielektrikum auszurüsten; Zu diesem Zweck ist bei dem
Ausführungsbeispiel nach der Fig-. 19 die Gegenelektrode mit in Längsrichtung verlaufenden
Aufnahmenuten 22 ausgerüstet, wobei an jeder Längsseite eine Aufnahmenut vorgesehen
ist. Das Dielektrikum besteht aus einem Profil 23, das im Querschnitt in der Fig.
20 aufgezeigt ist und aus Silikonkautschuk gefertigt wird.
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Die Längsränder dieses Profils werden durch Randwülste 24 gebildet,
die in die Aufnahmenuten der Gegenelektrode 10 eingeführt und dort kraftschlüssig
festgelegt werden. Das Profil 23 und die Aufnahmenuten 22 sind so ausgebildet und
angeordnet, daß nach der Montage des Profils 23 dieses unter Vorspannung steht.-In
der Fig. 21 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Behandlung des folienartigen Werkstoffes
1 aufgezeigt, deren Aufbau der Fig. 1 entspricht. Je nach der Zugspannung mit der
der folienartige Werkstoff über die Basiselektrode 5 hinweggeführt wird, besteht
die Gefahr, daß durch die wechselnden elektrostatischen Feldkräfte der folienartige
Werkstoff wie eine Membran quer zur Längsachse der Elektroden bewegt wird. In der
Fig. 21 ist eine Betriebsstellung des folienartigen Werkstoffes im Bereich des Spaltes
zwischen den beiden Elektroden aufgezeigt, in der der folienartige Werkstoff sich
von der Basiselektrode 5 teilweise abgehoben hat. Hierdurch entsteht an der Rückseite
des folienartigen Werkstoffes- ein unerwünschter Behandlungseffekt.
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Um dieses membranartige Schwingen des folienartigen Werkstoffes im
Bereich des Elektrodenspaltes zu unterbinden und den folienartigen Werkstoff an
die Basiselektrode zu drücken, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 22
neben dem Generator 2 eine Hochspannungsgleichstromquelle 25 vorgesehen, mit der
das Elektrodenpaar zusätzlich elektrisch verbunden ist.
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Von dem Generator 2 wird die hochfrequente Hochspannung an die Gegenelektrode
10 und an die Basiselektrode 5 über die Leitungen 3 und 4 geführt. Gleichzeitig
wird an die Gegenelektrode 10 und an die Basiselektrode 5 die Hochspannungsgleichstromquelle
25 über die Leitungen 26 und 27 angeschlossen.
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Durch geeignete Polarisierungen der Hochspannungsgleichstromquelle
25 wird erreicht, daß der folienartige Werkstoff 1 infolge gleichgerichteter elektrostatischer
Kräfte, welche durch die Funktionslinie 8 angedeutet sind, an die Basiselektrode
5 gepreßt wird, so daß kein freier Raum zwischen der Oberfläche der Basiselektrode
und der Rückseite des folienartigen Werkstoffes-entstehen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach der Fig. 23 wird der folienartige Werkstoff 1 über die mit einem Dielektrikum
versehene Basiselektrode 5 hinweggeführt. Durch den Generator 29 wird ein mit Entladungsspitzen
ausgerüstetes Elektrodenpaar 30 mit elektrischer Energie versorgt. Die Aufgabe des
Generators 29 und des Elektrodenpaares 30 besteht darin, in partieller Weise den
folienartigen Werkstoff zu erwärmen. Es ist auch denkbar, anstelle des Generators
29 und des Elektrodenpaares 30 eine andere Wärmequelle, z.B.
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eine Gasverbrennung oder Plasmaheizung, vorzusehen.
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Die mit Entladungsspitzen ausgerüsteten, folgenden Elektroden 31 werden
von dem Einzel generator 32 über eine Intermittierungsvorrichtung 33 versorgt. Zur
Erzielung der Haftung des folienartigen Werkstoffes 1 an der Basiselektrode ist
die Hochspannungsgleichstromquelle 34 ebenfalls an die Elektroden 31 und die Basiselektrode
5 über Leitungen 35,36 angeschlossen. Als Folgegegenelektrode ist eine normale Messerelektrode
37 vorgesehen, der die hochfrequente Hochspannung vom Generator 38 z(ige-
führt
wird. Auch in diesem Zweig befindet sich eine Intermittierungsvorrichtung 39, wobei
beide IntermiItierungsvorrichtungen von einem Tachogenerator 40 bahnsynchron zu
der Geschwindigkeit des folienartigen Werkstoffes gesteuert werden. Die Signale
werden über Leitungen 41,42 an die jeweiligen Vorrichtungen geleitet.
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Auch der Gegenelektrode 37 ist eine Hochspannungsgleichstromquelle
43 zugeschaltet.
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Um zu erreichen, daß etwaige Falten, die sich in dem folienartigen
Werkstoff befinden, nicht in den Bereich des Elektrodenspaltes transportiert werden,
ist es zwecknäßig, die Basiselektrode als eine mit einem Dielektrikum versehene
Breitstreckwalze auszubilden.
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Bezugszeichen 1 folienartiger Werkstoff 2 Generator 3 Leitung 4 Leitung
5 Basiselektrode 6 Dielektrikum 7 Gegenelektrode 8 Koronaentladung 9 Entladungsbild
10 Gegenelektrode 11 Entladungsspitze 12 Haftzentrum 13 Regeleinrichtung 14 Schaltmittel
15 Tachometer 16 Antrieb 17 Antrieb 18 Hilfselektrode 19 Funktionslinie 20 Kühler
21 Lüfter 22 Heat-Pipe 23 Profil 24 Randwulst 25 Hochspannungsgleichstromquelle
26 Leitung 27 Leitung 28 Funktionslinie 29 Generator 30 Elektrodenpaar 31 Elektrode
32 Einzel generator 33 Intermittierungsvorrichtung 34 Hochspannungsgleichstromquelle
35 Leitung 36 Leitung 37 Messerelektrode 38 Generator 39 Intermittierungsvorrichtung
40 Tachogenerator 41 Leitung 42 Leitung 43 Hochspannungsgleichstromquelle