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Apparat zur Ableitung elektrostatischer Ladungen von den Oberflächen
schlecht leitender Materialien mit Hilfe einer stabilisierten elektrischen Glimmentladung
Die Erfindung betrifft einen Apparat, mit dem in handlicher Weise elektrostatische
Ladungen von den Oberflächen schlecht leitender Materialien abgeleitet werden können.
Er eignet sich besonders zur Entladung von Materialien, die in Form von Strängen
oder laufenden. Bändern an ihm vorbeigeführt werden, ermöglicht aber auch eine bequeme
Beseitigung der statisch°n Ladungen von den Oberflächen fester, unbeweglicher oder
schwer beweglicher Gegenstände.
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Zur Entladung der Oberflächen dienen die Ionen, die in einer stabilisierten
elektrischen nieder- oder hochfrequenten Glimm- oder Sprühentladung erzeugt werden,
wobei die Stabilisierung dieser Entladungsform in an sich bekannter Weise durch
elektrischeAusbreitungswiderstände oder Zwischenschichten erzielt wird. Nach neueren
Erkenntnissen kommt es hierbei wesentlich darauf an, daB das von dem zu entladenden
Gegenstand ausgehende elektrische Feld recht tief in den Entladungsraum zwischen
den. Elektroden eingreifen kann.
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Das Verfahren als solches ist bereits bekännt und hinlänglich erprobt.
Nur fehlte es bisher an einer konstruktiven Durchbildung der Elektroden, die
hinsichtlich
Handhabung den Anforderungen der Praxis gerecht wird und in allen Fällen eine genügend
schnelle Entladung der zu entladenden Gegenstände gewährleistet.
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Es sind bereits Elektrodenbauformen vorgeschla-_ gen und ausgeführt
worden, bei denen die sprühende Elektrode mit scharfen Spitzen ausgerüstet und von
einem Rohr aus Isoliermaterial umgeben ist,, das die Spitzen in entsprechenden Aussparungen
freigibt. Das Rohr aus Isoliermaterial erfüllt hierbei den Zweck eines Berührungsschutzes
der hochspannungführenden Elektrode und der feinen Spitzen. Wesentlich wirksamer
.als diese mit Spitzen ausgerüsteten Elektroden sind Elektroden mit sprühenden Kanten
oder Drähten, wie sie im Patent 287 379 beschrieben sind, denn die Zahl der
gebildeten Ionen ist naturgemäß proportional der Größe der glimmenden Flächen. Bei
dieser. Art von Elektroden dient der Rundstab aus Isoliermaterial bereits zur Aufnahme
mindestens eines sprühenden Drahtes oder mindestens einer Metallfolie, die bei Verbindung
mit einer Hochspannungsquelle an ihrer nach außen weisenden Kante sprüht. Um die
Entladung eines über diese sprühenden Teile gezogenen Bandes recht wirksam werden
zu lassen, müßte dieses Band in sehr kleinem Abstand an dem Rundstab vorbeibewegt
werden oder gar auf diesem gleiten. Das ist aber in dem Falle von Nachteil, wo die
Bandspannung nicht genügend konstant gehalten werden kann, um einen konstanten Abstand
von dem Rundstab zu garantieren bzw. wodurch die Reibung des Bandes am Rundstab
aus Isoliermaterial wieder neue Ladungen auf dem Band entstehen.
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Der Apparat gemäß der Erfindung vermeidet nun diesen Nachteil weitgehend
durch eine weit größere entladende Wirkung einerseits, hervorgerufen durch das Heranführen
einer Gegenelektrode, und underseits dadurch, daß dem Feld, das von den zu entladenden
Körpern ausgeht, die Möglichkeit gegeben wird, tief in den eigentlichen Entladungsraum
der stabilisierten Glimmentladung einzugreifen. Es verbindet sich hiermit gleichzeitig
die Möglichkeit zu einer wesentlichen Vereinfachung und Verbilligung der Konstruktion.
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Zu diesem Zweck besitzt der erfindungsgemäße Apparat einen frei tragenden,
zylindrischen Körper, der die eine Elektrode darstellt und zugleich als Träger für
mindestens einen von diesem isolierten, die zweite Elektrode bildenden Metalldraht
dient, der außerhalb des zylindrischen Körpers parallel zu dessen Achse ausgespannt
ist.
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Es hat sich erwiesen, daß nicht nur eine asymmetrische Lage des Sprühdrahtes,
sondern auch eine asymmetrische Lage seiner Gegenelektrode in dem Isolierkörper
von großer Bedeutung sein-kann. Beim Apparat nach vorliegender Erfindung ist dementsprechend
der frei tragende, zylindrische Körper ein Isolierkörper mit mindestens einem von.
diesem eingehüllten, axial gerichteten zylindrischen. Metallkörper, der den Querschnitt
des Isolierkörpers nur zum kleineren Teil ausfüllt und aus der Achse des Isolierkörpers
nach dem Sprühdraht hin derart verlagert ist, daß nur eine schmale Zone des Isolierkörpers
von dem die Glimmentladung erzeugenden Feld durchsetzt ist.
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Hiermit sind zwei wesentliche Vorteile verbunden. Einmal kann hierbei
die Kapazität der vom Isolierkörper eingeschlossenen Elektrode wesentlich kleiner
gehalten werden, ohne daß man damit eine Einbuße an Feldstärke in der Nähe des Sprühdrahtes
in Kauf nehmen müßte. Anderseits wird beim Betrieb des Apparates mit Hochfrequenz
der Hochfrequenzverlust im Isolierkörper sehr viel geringer, wenn nur ein Teil des
Isolierkörpers von dem starken, die Glimmentladung erzeugenden Feld durchsetzt wird.
Beide Vorteile sind allein schon dadurch gegeben, daß der zylindrische, parallel
zum Sprühdraht ausgelegte Metallkörper exzentrisch in dem Isolierkörper angeordnet
ist und den Querschnitt des Isolierkörpers nur zu einem kleinen Teil ausfüllt.
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Um eine einwandfreie Abschirmung des von der inneren bzw. Gegenelektrode
ausgehenden Hochfrequenzfeldes zu erzielen, kann der zylindrische Körper zur Abschirmung
des Hochfrequenzfeldes im Abstand, der mindestens gleich dem Abstand des Sprühdrahtes
vom zylindrischen Körper ist, von mindestens einem geerdeten, nicht sprühenden Metallteil
umgeben sein, der den zur Ionenerzeugung dienenden geerdeten Sprühdraht frei läßt.
Zweckmäßig ist der nicht sprühende Metallteil nicht näher an den Sprühdraht herangezogen,
als der Sprühdraht vom zylindrischen Körper entfernt ist, damit das von dem zu entladenen
Material ausgehende Feld noch genügend - stark in den Entladungsraum zwischen Sprühdraht
und Gegenelektrode hineingreifen kann.
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Ausführungsbeispiele des, erfindungsgemäßen Apparates sind in den
Zeichnungen dargestellt; es zeigen Fig. 1 bis 4 vier verschiedene Entladungsvorrichtungen
des Apparates nach der Erfindung, Fig. 5 und 6 verschiedene Möglichkeiten des Einbaues
eines Hochfrequenztransformators in die Vorrichtungen nach den Fig. i bis 4, Fig.
7 die gleichzeitige Verwendung des Hochspannungstransformators als mechanische Stütze
für eine frei tragende, zylindrische Elektrode, Fig. 8 und 8 a im Axial- bzw. Querschnitt
ein erstes Beispiel, Fig. 9 und 9 a im Axial- bzw. Querschnitt ein zweites Beispiel,
Fig. io und io a im Axial- bzw: Querschnitt eine Variante des Beispiels nach Fig.
2, 2 a, Fig. i i und i i a in Seitenansicht bzw. im Querschnitt eine weitere Variante
des Beispiels nach Fig. 9, 9 a, Fig. 12 einen Teil der ersten Ausführungsform des
Apparates- in Seitenansicht, Fig. 13 einen Querschnitt durch den in Fig. 12 gezeigten
Apparateteil und Fig. 14 und 15 das zweite Beispiel in Seitenansicht und im Querschnitt.
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In Fig. i ist die einfachste Ausführungsform des Apparates gemäß der
Erfindung wiedergegeben.
Hier ist i ein frei tragender, zylindrischer,
metallischer Hohl- oder Vollkörper, der an seinen beiden Enden zwei metallische
Träger 2 aufweist, die durch die festen Isolierkörper 3 von diesem isoliert sind.
Die Träger 2 dienen ihrerseits zur Befestigung von Drähten q., die parallel zur
Achse des zylindrischen Körpers i ausgespannt sind und sich mit einer Glimmhaut
überziehen, sobald zwischen dem einen Träger 2 und dem zylindrischen Metallkörper
i durch Anlegen einer Spannungsquelle eine genügend hohe elektrische Spannung aufgerichtet
wird. Die Spannungszuführung zur Elektrode i kann hierbei entweder seitlich oder
axial erfolgen. Im letzteren Fall müssen Träger 2 und Isolierkörper 3 mindestens
auf einer Seite mit einem axialen Loch zur Aufnahme eines Hochspannungskabels versehen
sein. Zur Montage des ganzen Apparates werden tragende Briden oder Griffe an den
Stirnseiten des Apparates, d. h. an die metallischen Träger 2, angeschraubt.
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Die den zylindrischen Metallkörper umgebenden, mehr als zwei in axialer
Richtung ausgespannten Drähte bilden eine Drahtelektrode, die geerdet sein kann.
Dann ist die spannungsführende Elektrode i durch die einen Käfig bildende, geerdete
Drahtelektrode abgeschirmt und vor Berührung geschützt. Die einzelnen Drähte der
Drahtelektrode sprühen beim Betrieb trotz Erdung, da es ja für die Glimmentladung
nur auf das über den Drähten errichtete Feld und nicht auf das absolute Potential
der Drähte ankommt. Auch beim sogenannten St. Elmsfeuer sind die. leuchtenden Gegenstände
mit Erde verbunden.
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Der gegenseitige Abstand zweier benachbarter Drähte q. sollfite wenigstens
so groß sein wie ihr Abstand von der zylindrischen Elektrode i, damit das Feld des
zu entladenden Körpers genügend in den Entladungsraum der Glimmentladung hineingreifen
kann und so von dort die zur Entladung notwendigen Ionen bezieht.
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Die Drahtkäfigelektrode bietet auch einen wirksamen Berührungsschutz,
denn bei Annäherung der Hand wird das Feld an den Drähten derart homogenisiert,
daß es an jenen Stellen nicht mehr zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung ausreicht
und man nicht einmal elektrisiert wird.
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Ein wirksamer Berührungsschutz der spannungsführenden Elektrode kann
auch bei Verwendung weniger Spanndrähte erzielt werden, indem gemäß Fig. 2 der zylindrische,
metallische Körper i mit einer durchschlagsfesten Isolierschicht 5 überzogen wird
oder gemäß Fig. 3 die spannungsführende Elektrode als leitfähige Schicht 6 in einem
frei tragenden Rohr 7 aus Isolierstoff untergebracht wird. Zur Verhütung von Überschlägen
können bei gedrängten Anordnungen die Enden des Isolierrohres 7 durch fest eingeklebte
Stopfen aus Isoliermaterial durchschlagsfest verschlossen werden.
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Eine andere Ausführungsform des Apparates zeigt Fig. q.. Bei dieser
dient als spannungsführende Elektrode ein frei tragender, metallischer Körper 8,
z. B. ein Metallrohr, der nur an seinen beiden Enden durch die Rohrverschlußstücke
9 oder dort eingesetzte Isolatoren getragen wird. Auch hier können bei gedrängten
Anordnungen die Rohrverschlußstücke durchschlagsfest eingeklebt werden.
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Um die Hochspannung nicht mit einem unhandlichen Hochspannungskabel
zuführen zu müssen, verwendet man zweckmäßig Hochfrequenzströme und verwandelt diese
in einen kleinen Teslatransformator io, der sich leicht an einem Ende des Apparates
einbauen läßt, in Hochspannung. Der Spulenkörper der Sekundärspule dieses Teslatransformators
kann hierbei gleichzeitig die mechanische Funktion des einen Isolierkörpers 3 bzw.
9 in den Anordnungen nach Fig. i, 2 öder q. übernehmen, wie dies z. B. aus den Fig.
5 und 7 hervorgeht. Bei Verwendung eines frei tragenden Rohres aus Isoliermaterial
wird der Teslatransformator io zweckmäßig gleich in dieses Rohr eingebaut, wie das
die Fig. 6 und 7 zeigen. Er ist dann gleichzeitig vor Berührung und Verletzung geschützt.
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In allen Fällen, wo die Drahtelektrode mit Erde verbunden ist, bereitet
die Isolation des Zuführungskabels zur Primärseite des Teslatransformators keine
Schwierigkeiten. Das Zuführungskabel kann beispielsweise an der Stelle i i (Fig.
5) am Fuß des Teslatransformators ausgeführt werden.
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Da die Primärwicklung des Teslatransformators nur Niederspannung gegenüber
Erde führt, kann, wie in Fig. 7 gezeigt, der metallische Träger 2 des Spanndrahtes
auch in Höhe dieser Wicklung auf dem Rohr befestigt sein, ohne daß die Sekundärwicklung
durch eine zusätzliche Kapazität belastet wird. In gleicher" Weise kann auch der
andere Träger 2 auf dem Isolierrohr 7 angebracht sein, wenn dort das Rohr entsprechend
über die spannungsführende Elektrode verlängert wird. Diese Anbringungsart der Träger
2 bringt den Vorteil mit sich, daß der Apparat an seinen beiden Enden bequem mit
Briden gehalten werden kann oder daß die Rohrenden zugleich als Handgriffe dienen.
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Beim Beispiel nach den Fig. 8, 8 a ist ein frei tragender zylindrischer
Isolierkörper 12 vorgesehen, der als Rundstab ausgebildet ist. Der Isolierkörper
i2 ist mit einer exzentrischen Längsbohrung versehen, in welcher ein die eine Elektrode
bildender zylindrischer Metallstab 13 angeordnet ist. Mittels der Endplatten 1q.
sind außerhalb des Isolierkörpers 12 zwei bezüglich einer Isolierkörperachse diametral
gegenüberliegende achsparallele Drähte 15 gespannt. Der in der Zeichnung obere Draht
15 dient als Sprühelektrode.
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Beim Beispiel nach den Fig. 9, 9 a ist der frei tragende, zylindrische
Isolierkörper ein Rohr 16, in welchem mittels der Halter 17 eine achsparallele,
zvlindrische Stabelektrode 18 exzentrisch zum Rohr 16 angeordnet ist. Im übrigen
ist die Ausbildung des Apparates gleichwie beim erstbeschriebenen Beispiel.
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Bei der in den Fig. io, ioa gezeigten Variante des vorangehend beschriebenen
Beispiels sind in dem den Isolierkörper bildenden Rohr 16 zwei bezüglich der Rohrachse
exzentrisch und einander diametral gegenüberliegend angeordnete zylindrische Metallelektroden
18 vorgesehen.
Diese. beiden Metallelektroden 18 sind elektrisch
leitend miteinander verbunden.
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Bei der in den Fig. i i und i i a gezeigten Variante ist der zylindrische
Isolierkörper durch ein zweiteiliges Rohr ig gebildet, ,dessen beide Teile einander
diametral gegenüberliegen. Auch hier ist innerhalb des Rohres und exzentrisch zu
diesem eine zvlindrische Metallelektrode 18 vorgesehen. Die durch die Zweiteilung
des Rohres ig geschaffenen Längsschlitze 2o gestatten die weitere Reduzierung des
Hochfrequenzverlustes. Dabei muß natürlich der Isolierköder einen genügend. großen
Bereich zwischen Metallelektrode und Sprühdraht ausfüllen, um dort die Entladung
gegenüber einer Funken- bzw. Bogenentladung zu stabilisieren. Es versteht sich,
daß auch hier zwei Metallelektroden i8 analog der Variante nach den Fig. io und
ioa vorgesehen sein könnten. .
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Ebenso könnten auch die Isolierkörper 12 und 16 der in den Fig. 8
bis io dargestellten Ausführungsformen .des Apparates mit Längsschlitzen zur Reduzierung
der Hochfrequenzverluste versehen sein.
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Bei allen beschriebenen Ausführungsformen ist der als innere Elektrode
ausgebildete zylindrische Metallkörper 13 bzw. i8 derart exzentrisch bezüglich der
Isolierkörperachse gegen den zugeordneten Sprühdraht 15 hin verlagert, daß nur eine
schmale Zone des Isolierkörperquerschnittes zwischen Metallelektrode und Sprühdraht
liegt, welche von dem starken, die Glimmentladung erzeugenden Feld durchsetzt wird.
Ferner füllt diese Metallelektrode 13 bzw. 18 in allen Fällen nur einen .kleinen
Teil des Gesamtquerschnittes des Isolierkörpers.
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Um die Sprühverluste an der im Isolierkörper eingelassenen Elektrode
zu unterdrücken, erteilt man den eingelassenen Elektroden 'einen kreisförmigen oder
ellipsoidförmigen Querschnitt. und rundet die Enden kugelförmig ab.
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In Fig. i2 bis 15 ist 21 der frei tragende, zylindrische Körper, der
bei den gezeichneten Beispielen als Rohr ausgebildet ist. Auf diesem Rohr 21 sitzen
mit axialem Abstand voneinander zwei Halteringe 22, zwischen welchen mittels Schrauben
23 ein mit Abstand von der Außenfläche des Rohres 2,1 und parallel zur Rohrachse
ein Sprühdraht 24 gespannt ist.
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Beim Beispiel nach den Fig. 12 und 13 ist zwischen den Halteringen
22 ein dem Sprühdraht 24 diametral gegenüberliegender zweiter Spanndraht 24 parallel
zur Rohrachse gespannt. Das Rohr 21 ist hier ein Isolierkörper. Auf dem gleichen.
Durchmesser wie die Drahtelektroden 24, wovon die obere als Sprühelektrode ausgebildet
ist, ist innerhalb des Rohres 2i ein als Gegenelektrode dienender zylindrischer
Metallstab 25 angeordnet. Der Metallstab 25 ist mit Abstand von der Rohrachse und
parallel zu dieser angeordnet. An den Ringen 22 ist ein Abschirmmantel 26 befestigt,
welcher .einen Teil des Isolierkörpers 2i wannenförmig umgibt und dabei die zur
Ionenerzeugung dienende, in der Zeichnung obere Sprühelektrode 24 frei läßt. Der
Abstand des Mantels 26 vom Isolierkörper 2i muß mindestens gleich groß sein wie
der Abstand der Sprühelektrode 24 vom Isolierkörper 2i; beim gezeichneten Beispiel
ist der erstgenannte Abstand etwas größer als der zweitgenannte Abstand. Die Spanndrähte
24 und der Mantel 26 sind mit Erde verbunden, während die Gegenelektrode 25 Spannung
führt.
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Es genügt in den meisten. Fällen, den verbleibenden Zwischenraum 27
(Fig. 13) doppelt so breit zu machen wie die Distanz zwischen der sprühenden Drahtelektrode
24 und der Elektrode 25 bzw. dem Isolierkörper 2i. Dabei kann dann das von dem zu
entladenden Material ausgehende Feld noch genügend in den Entladungsraum zwischen
der Sprühelektrode 24 und der Elektrode 25 bzw. dem Isolierkörper 2i hineingreifen,
und es können so von dort die zur Entladung des Materials benötigten Ionen bezogen
werden. .
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Versuche haben gezeigt, daß in vielen Fällen bereits ein metallischer
Schutzmantel ausreicht, dessen Kantentangentenfläche den Isolierkörper 2i eben berührt,
wenn die geerdete Sprühelektrode 24, wie gezeichnet, in der Mitte des Zwischenraumes
27 ausgespannt ist. Um ein Sprühen des Schutzmantels zu vermeiden, ist dieser an
seinen Enden 28 mit genügend großem Radius umgebördelt.
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Beim Beispiel nach Fig. 14 und 15 dient eine Mehrzahl von Metalldrähten
29, die in gleicher Weise wie der Sprühdraht 24 zwischen den Halteringen 22 in gleichen
Winkelabständen voneinander bzw. vom Sprühdraht 24 gespannt sind, als Abschirmung.
Die Spanndrähte äg besitzen bezüglich der Rohrachse größeren Radialabstand als der
Sprühdraht 24, und ferner ist ihr Querschnitt größer als jener dieses Sprühdrahtes.
Das Rohr 21 ist hier aus Metall und bildet die spannungsführende Innenelektrode.
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Es versteht sich, daß auch bei Verwendung einer exzentrisch im frei
tragenden Isolierkörper angeordneten Gegenelektrode 25 gemäß den Fig. 12 und 13
die Abschirmung durch Spanndrähte 29 gebildet sein kann.
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Bei beiden gezeichneten Ausführungsformen steht die durch die Längsachse
des Apparates und durch den Sprühdraht 24 gehende Symmetrieebene senkrecht zur Ebene
des zu entladenden Gutes.
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Der abschirmende Metallteil könnte auch durch einen anderen geeigneten
Apparate= oder Maschinenteil gebildet sein.