EP0273165A2 - Verfahren zur Herstellung einer Koronaelektrode sowie nach diesem Verfahren hergestellte Koronaelektrode - Google Patents

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EP0273165A2 EP87116693A EP87116693A EP0273165A2 EP 0273165 A2 EP0273165 A2 EP 0273165A2 EP 87116693 A EP87116693 A EP 87116693A EP 87116693 A EP87116693 A EP 87116693A EP 0273165 A2 EP0273165 A2 EP 0273165A2
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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T19/00—Devices providing for corona discharge

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a corona electrode, a dielectric coating being applied to an at least partially electrically conductive core.
  • the invention further relates to a corona electrode produced by this method.
  • adhesion to material surfaces can be improved by exposure to a corona discharge or that this can be created in the case of non-polar materials in the first place.
  • an electrical energy source in the form of a high-frequency generator operating with alternating voltage and a corona electrode fed by it, which is provided with a dielectric, are required which creates the desired corona discharge when the generator is in operation.
  • the dielectric which is important for a uniform crown formation, is a weak point.
  • the corona discharge used in the surface treatment puts a strain on the dielectric in continuous operation due to the production process. It has been shown that, depending on the type of dielectric, wear occurs at different times, but in any case occurs undesirably quickly.
  • the dielectric Because of the possible porosity of the dielectric on the one hand and due to the requirement for a short-circuit-proof design of the dielectric on the other hand, the dielectric has hitherto been made with a relatively large thickness, as a result of which the efficiency of the corona electrodes deteriorates considerably. The associated consequence is an unfavorable electrical corona active power conversion per unit area, combined with low, achievable adhesion values of the treated material.
  • the present invention has for its object to develop a method for producing a corona electrode, according to which it is possible to manufacture corona electrodes with low susceptibility to wear and high efficiency.
  • This object is achieved in that a coating of predominantly non-oxidic material is applied to the core.
  • corona ignition voltage is considerably lower, which also explains the better efficiency achieved.
  • An expedient development of the method according to the invention consists in that a moldable and highly thermally conductive core material is used which has almost the same coefficient of thermal expansion as the material used for the coating.
  • a corona electrode produced by the process according to the invention is characterized in that the dielectric consists predominantly of non-oxide ceramic with a minimum density of 95% of the theoretical density.
  • the dielectric can be kept relatively thin overall, but at the same time a non-porous and dense coating of the core is possible, so that even in the case of very thin layers and in the event of point stress with a high-frequency high voltage, breakdown-proof insulation is possible for several hours.
  • the dielectric properties of the coating do not change significantly when the temperature and frequency change.
  • the reference numeral 1 designates a high-voltage generator which, during operation, can output a high-frequency high voltage to a corona electrode shown in FIGS. 2 to 5 via its connections 2 and 3.
  • the corona electrode shown in FIG. 2 is provided overall with the reference number 4.
  • This corona electrode 4 consists of a core 5 and a dielectric 6 in the form of a coating of the core 5.
  • the core 5 preferably consists of a moldable core material which is highly thermally conductive and has almost the same thermal expansion coefficient as the material of the coating.
  • the core 5 preferably consists of graphite.
  • the dielectric 6 consists predominantly of non-oxide material, preferably of a ceramic material such as boron nitride, silicon nitride or aluminum nitride, and a mixture of the aforementioned materials is also conceivable. However, a mixture of ceramic materials made of non-oxidic and oxidic components is also conceivable.
  • the core 5 is preferably coated with a minimum density of 95% of the theoretical density.
  • the core 5 can be coated both in the PVD process (physical vapor disposition) and in the CVD process (chemical vapor disposition).
  • Coating of the core 5 by the plasma spraying method is also possible.
  • boron nitride is used for the coating, it is advantageous to use boron nitride in hexagonal, anisotropic form.
  • the dielectric 6 of the corona electrode 4 consists overall of a relatively thin layer made of the materials mentioned above.
  • Fig. 2 clearly shows that the corona electrode 4 on the Point for the electrical contact cable is not provided with a dielectric 6, so that there is the possibility of being able to join a plurality of corona electrodes 4 designed in this way in a short-circuit-proof manner.
  • Fig. 3 makes it clear that a thin coating of the electrode core 5 with the dielectric 6 already mentioned makes it possible to design the discharge webs 11 extremely sharp-edged and thus increasing efficiency.
  • the corona discharge 10 takes place here against a metal plate 12 which is connected to ground.
  • the core 5 of the corona electrode 4 is provided with a cooling bore 13 running in the direction of its longitudinal axis, the reveal of which is in turn coated with a dielectric 6.
  • the corona electrode 4 shown in FIG. 4 has a hollow core 5 which is completely and externally partially coated with a dielectric 6 in its interior.
  • This corona electrode 4 can be vented in the same direction in which the corona discharge 10 occurs.
  • the venting direction is indicated by arrow A in FIG. 4.
  • FIG. 5 shows a corona electrode 4, in which an internal electrode gap, angled through 90 °, is coated with a thin dielectric 6.
  • a metal wire 15 is exposed to a corona discharge 10.

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Abstract

1. Verfahren zur Herstellung einer Koronaelektrode sowie nach diesem Verfahren hergestellte Koronaelektrode, 2. Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen (4) versehene Koronaelektrode besteht aus einem Kern (5) sowie einem Dielektrikum (6). Der Kern (5) kann beispielsweise aus formbarem Graphit hergestellt sein. Das Dielektrikum (6) ist in Form einer dünnen Beschichtung aus nichtoxydischer Keramik, beispielsweise aus Siliziumnitrid, Bornitrid, Aluminiumnitrid od.dgl. auf den Kern (5) aufgebracht. Dies ermöglicht einerseits weitestgehende Freiheiten bei der Formgestaltung der Koronaelektrode (4) und sichert andererseits eine hohen Verschleißfestigkeit sowie einen hohen Wirkungsgrad.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Koronaelektrode, wobei auf einen zu­mindest teilweise elektrisch leitfähigen Kern eine dielek­trische Beschichtung aufgebracht wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine nach diesem Ver­fahren hergestellte Koronaelektrode.
  • Es ist bekannt, daß die Adhäsion an Materialoberflächen durch Beaufschlagung mit einer Koronaentladung verbes­sert werden kann bzw. diese bei unpolaren Materialien überhaupt erst geschaffen werden kann.
  • Um eine derartige Oberflächenbehandlung mittels Korona­entladung durchführen zu können, bedarf es einerseits einer elektrischen Energiequelle in Form eines mit Wechselspannung arbeitenden, hochfrequenten Hochspan­nungsgenerators und einer davon gespeisten Koronaelek­trode, die mit einem Dielektrikum versehen ist und an der die gewünschte Koronaentladung bei Betrieb des Gene­rators entsteht.
  • Bei der Durchführung derartiger Oberflächenbehandlungen ist nach dem bislang bekannten Stand der Technik das Dielektrikum, welches für eine gleichmäßige Kronaausbil­dung von Bedeutung ist, eine Schwachstelle.
  • Die bei der Oberflächenbehandlung angewandte Koronaent­ladung belastet das Dielektrikum im Dauerbetrieb, bedingt durch die Produktionsverfahren. Es hat sich gezeigt, daß je nach Dielektrikumsart ein zeitlich unterschiedlicher Verschleiß eintritt, der sich in jedem Falle aber uner­wünscht rasch einstellt.
  • Als Ursachen hierfür sind folgende Faktoren anzusehen:
  • Aufgrund möglicher Porosität des Dielektrikums einerseits und aufgrund der Forderung nach kurzchlußsichere Ausbil­dung des Dielektrikums andererseits hat man bislang das Dielektrikum mit relativ großer Dicke ausgeführt, wo­durch sich der Wirkungsgrad der Koronaelektroden erheb­lich verschlechtert. Die damit verbundene Folge ist eine ungünstige, elektrische Korona-Wirkleistungsumsetzung pro Flächeneinheit, verbunden mit geringen, erzielbaren Adhäsionswerten des behandelten Materials.
  • Dieses Manko ist nun nur mit großen Generatorleistungen und großen Gerätedimensionen auszugleichen, dies wiederum führt zu größeren Wärmeentwicklungen an den Koronaelek­ troden und entsprechendem Verschleiß.
  • Insgesamt verursachen der Verschleiß wie auch der schlechte Wirkungsgrad bei der Oberflächenbehandlung durch Koronaentladung beträchtliche Kosten und Qualitäts­einbrüche bei dem behandelten Material.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Koronaelektrode zu entwickeln, nach dem es möglich ist, Koronaelektroden mit geringer Verschließanfälligkeit und hohem Wirkungsgrad zu fertigen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den Kern eine Beschichtung aus überwiegend nichtoxy­dischem Material aufgebracht wird.
  • Durch das Aufbringen einer derartigen Beschichtung wird es möglich, daß Dielektrikum insgesamt dünn zu halten, gleichzeitig ergibt sich aber eine unporöse und dichte Beschichtung des Kernes, so daß selbst bei sehr dünnen Schichten und Punkt-Dauerbelastung mit einer hochfre­quenten Hochspannung über mehrere Stunden eine durch­schlagsichere Isolation möglich ist, wie einschlägige Versuche gezeigt haben. Die dielektrischen Eigenschaften der Beschichtung ändern sich bei Veränderung von Tempe­ratur und Frequenz nicht wesentlich.
  • Bei nach dem Verfahren hergestellten Koronaelektroden wurde ferner beobachtet, daß die sogenannte Koronazünd­ spannung erheblich geringer ist, womit auch der erreich­te, bessere Wirkungsgrad erklärbar ist.
  • Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein formbares und gut wär­meleitfähiges Kernmaterial verwendet wird, welches nahe­zu den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie das für die Beschichtung verwandte Material besitzt.
  • Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Koronaelektrode ist dadurch gkennzeichnet, daß das Di­elektrikum überwiegend aus nicht oxydischer Keramik mit einer Mindestdichte von 95 % der theoretischen Dichte besteht.
  • Das Dielektrikum kann insgesamt relativ dünn gehalten werden, gleichzeitig ist aber eine unporöse und dichte Beschichtung des Kernes möglich, so daß selbst bei sehr dünnen Schichten und bei Punkt-Dauerbelastung mit einer hochfrequenten Hochspannung über mehrere Stunden eine durchschlagsichere Isolation möglich ist. Die dielektri­schen Eigenschaften der Beschichtung ändern sich bei Ver­änderung von Temperatur und Frequenz nicht wesentlich.
  • Es wurde bei Versuchen auch beobachtet, daß die sogenann­te Korona-Zündspannung erheblich geringer ist. womit auch der erreichte, bessere Wirkungsgrad erklärbar ist.
  • Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen wird der Erfindungs­gedanke noch einmal ausführlich erläutert.
  • Im einzelnen zeigen:
    • Fig. 1 einen Hochspannungsgenerator für den Betrieb einer Koronaelektrode
    • Fig. 2 einen Schnitt durch eine Koronaelektrode
    • Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Koronaelektrode in perspektivischer Dar­stellung
    • Fig. 4 einen Schnitt durch eine Koronaelektrode nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
    • Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer weiteren Koronaelektrode.
  • In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Hochspannungs­generator bezeichnet, der bei Betrieb über seine Anschlüs­se 2 und 3 eine hochfrequente Hochspannung an eine in den Fig. 2 bis 5 dargestellte Koronaelektrode abgeben kann.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Koronaelektrode ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 4 versehen.
  • Diese Koronaelektrode 4 besteht aus einem Kern 5 sowie einem Dielektrikum 6 in Form einer Beschichtung des Kernes 5.
  • Der Kern 5 besteht vorzugsweise aus einem formbaren Kern­material, welches gut wärmeleitfähig ist und den nahezu gleichen Temperaturdehnungskoeffizienten wie das Mate­rial der Beschichtung aufweist. Vorzugsweise besteht der Kern 5 aus Graphit.
  • Das Dielektrikum 6 besteht überwiegend aus nichtoxydi­schem Material, bevorzugt aus einem keramischen Material wie Bornitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid, eben­so ist ein Gemisch der vorgenannten Materialien denkbar. Es ist allerdings auch ein Gemisch aus keramischen Mate­rialien aus nichtoxydischen und oxydischen Anteilen denk­bar.
  • Die Beschichtung des Kernes 5 erfolgt vorzugsweise mit einer Mindestdichte von 95 % der theoretischen Dichte.
  • Der Kern 5 kann sowohl im PVD-Verfahren (Physical-Vapour-­Disposition) wie auch im CVD-Verfahren (Chemical-Vapour-­Disposition) beschichtet werden.
  • Ebenso ist es denkbar, die Beschichtung des Kernes 5 im Sinterverfahren oder durch chemisches Reaktionssintern durchzuführen.
  • Es kommt auch eine Beschichtung des Kernes 5 nach dem Plasmar-Spritzverfahren in Frage.
  • Sofern für die Beschichtung ausschließlich Bornitrid ver­wendet wird, ist es vorteilhaft, Bornitrid in hexagona­ler, anisotropischer Form zu verwenden.
  • Die Verwendung eines Kernmaterials, welches einerseits gut wärmeleitfähig ist und andererseits nahezu zu dem gleichen Temperaturausdehnungskoeffizient wie das für die Beschichtung verwendete Material besitzt, bietet den Vor­teil, daß keine Dilaminationen in den Materialgrenz­schichten erfolgen. Somit wird eine elektrisch durch­schlagsichere Koronaelektrode geschaffen.
  • Die Verwendung von Mischkeramik zur Beschichtung ermög­licht die Herstellung preiswerter Koronaelektroden in hoher Qualität.
  • Das Dielektrikum 6 der Koronaelektrode 4 besteht insge­samt aus einer relativ dünnen Schichte aus den oben er­wähnten Materialien.
  • Bei anliegender Hochspannung an den Anschlüssen 7 der Koronaelektrode 4 sowie 8 einer als Walze ausgebildeten Gegenelektrode 9 entsteht zwischen der Koronaelektrode 4 und der Gegenelektrode 9 eine elektrische Koronaent­ladung 10.
  • Fig. 2 zeigt deutlich, daß die Koronaelektrode 4 an der Stelle für die elektrische Kontaktkabel nicht mit einem Dielektrikum 6 versehen ist, so daß die Möglichkeit be­steht, mehrere, derart ausgestalteter Koronaelektroden 4 kurzschlußsicher zusammenfügen zu können.
  • Fig. 3 macht deutlich, daß durch eine dünne Beschichtung des Elektrodenkernes 5 mit dem schon erwähnten Dielektri­kum 6 die Möglichkeit besteht, die Entladungsstege 11 äußerst scharfkantig und somit wirkungsgraderhöhend aus­bilden zu können. Die Koronaentladung 10 erfolgt hier gegen eine an Masse liegende Metallplatte 12.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Kern 5 der Koronaelektrode 4 mit einer in Richtung seiner Längsachse verlaufenden Kühlbohrung 13 versehen, deren Leibung wie­derum mit einem Dielektrikum 6 beschichtet ist.
  • Die in Fig. 4 dargestellte Koronaelektrode 4 weist einen Hohlkern 5 auf, der in seinem Inneren vollständig und äußerlich teilweis mit einem Dielektrikum 6 beschichtet ist.
  • Eine Entlüftung dieser Koronaelektrode 4 ist in der gleichen Richtung möglich, in der sich die Koronaentla­dung 10 einstellt. Die Entlüftungsrichtung ist durch den Pfeil A in Fig. 4 gekennzeichnet.
  • Eine nur teilweise Aufbringung des Dielektrikums 6 im äußeren Bereich der Koronaelektrode ermöglicht es, im nichtbeschichteten Bereich beispielsweise ein Gewinde 14 an der Koronaelektrode 4 anzubringen.
  • In Fig. 5 ist eine Koronaelektrode 4 dargestellt, bei der ein innenliegender Elektrodenspalt, um 90° abgewinkelt, mit einem wiederum dünne Dielektrikum 6 beschichtet ist. In diesem Elektrodenspalt kann z.B. ein Metalldraht 15 einer Koronaentladung 10 ausgesetzt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung einer Koronaelektrode, wo­bei auf einen zumindest teilweise elektrisch leitfä­higen Kern eine dielektrische Beschichtung aufge­bracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kern (5) eine Beschichtung aus überwie­gend nichtoxydischem Material aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines formbaren und gut wärmeleitfähigen Kernmateriales, welches den nahezug gleichen Tempe­raturausdehnungskoeffizienten wie das für die Be­schichtung verwendete Material besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Beschichtung mit einer Mindestdich­te von 95 % der theoretischen Dichte auf den Kern (5) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Beschichtung des Kernes (5) im CVD-Verfahren (Chemical-Vapour-Dispo­sition).
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Beschichtung des Kernes (5) im PVD-Verfahren (Physical-Vapour-Dispo­sition).
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Beschichtung des Kernes (5) durch Sintern oder chemisches Reaktions­sintern.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Beschichtung des Ker­nes (5) nach dem Plasmar-Spritzverfahren.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von kera­mischen Materialien wie Bornitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid zur Beschichtung des Kernes (5).
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprü­che 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von keramischen Materialmischungen aus Bornitrid, Sili­ziumnitrid oder Aluminiumnitrid zur Beschichtung des Kernes (5).
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprü­che 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von keramischen Materialmischungen aus nichtoxydischen und oxydischen Anteil zur Beschichtung des Kernes (5).
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung von Bornitrid in hexagonaler, anisotropischer Form zur Beschichtung des Kernes (5).
12. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellte Koronaelektrode mit einem zumindest teilweise elek­trisch leitfähigen Kern und einer dielektrischen Be­schichtung des Kernes, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (6) überwiegend aus nichtoxydischer Keramik mit einer Mindestdichte von 95 % zur theo­retischen Dichte besteht.
13. Koronaelektrode nach Anspruch 12, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Dielektrikum (6) aus Bornitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid od. dgl. besteht.
14. Koronaelektrode nach Anspruch 12, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Dielektrikum (6) aus einer Mate­rialmischung aus Bornitrid, Siliziumnitrid oder Alu­miniumnitrid od. dgl. besteht.
15. Koronaelektrode nach Anspruch 12, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Dielektrikum (6) aus keramischen Materialmischungen aus nichtoxydischen und oxydischen Anteilen besteht.
16. Koronaelektrode nach einem oder mehreren der Ansprü­che 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei voll­ständiger oder teilweiser Verwendung von Bornitrid zur Bildung des Dielektrikum (6) Bornitrid in hexa­gonaler, anisotropischer Form verwendet ist.
17. Koronaelektrode nach einem oder mehreren der Ansprü­che 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (5) aus formbarem Graphit besteht.
18. Koronaelektrode nach Anspruch 17, dadurch gekenn­zeichnet, daß der aus Graphit bestehende Kern (5) ein Preßteil ist.
EP87116693A 1986-11-29 1987-11-12 Verfahren zur Herstellung einer Koronaelektrode sowie nach diesem Verfahren hergestellte Koronaelektrode Expired - Lifetime EP0273165B1 (de)

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EP0273165B1 EP0273165B1 (de) 1992-10-07

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