[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beseitigung einer elektrostatischen Ladungsdoppelschicht
von einem geförderten flächigen, elektrisch im wesentlichen isolierenden Material.
Unter einem flächigen Material sollen sowohl eine quasiendlose Materialbahn als auch
vereinzelte Bögen verstanden werden, und als im wesentlichen isolierende Materialien
sind solche zu verstehen, die mindestens über den größeren Bereich ihrer Oberfläche
als Isolator wirken, etwa Druck- oder Verpackungspapiere, Kunststofffolien, folienkaschierte
Papiere, kunststoff-kaschierte Metallfolien oder dergleichen.
[0002] Ladungsdoppelschichten sind in verschiedenen Industriezweigen, die insbesondere isolierende
Materialien mit hohen Geschwindigkeiten handhaben bzw. verarbeiten, als elektrostatische
Aufladungserscheinungen bekannt und gefürchtet. Man versteht darunter eine elektrostatische
Aufladung der einen Seite eines isolierenden Materials, kombiniert mit einer gegenpoligen
elektrostatischen Aufladung der gegenüberliegenden Seite. Ladungsdoppelschichten treten
häufig an hochisolierenden, dünnen und schnelllaufenden Materialbahnen oder -bögen
auf und führen häufig zu schwerwiegenden und kostspieligen Prozessstörungen. Sie können
sogar Zerstörungen des Materials durch Funkenentladung durch dieses hindurch zur Folge
haben.
[0003] Zur Beseitigung elektrostatischer Aufladungen von geförderten Materialien der oben
erwähnten Art sind kontaktlos arbeitende Entladeelektroden bekannt und kommerziell
verfügbar und haben sich in vielen Anwendungssituationen bewährt; vgl. dazu unter
www.eltex.de "FAQs für Entladung/Aufladung".
[0004] Diese bekannten Entladesysteme/-elektroden nutzen das von dem aufgeladenen Material
zur (neutralen) Erde ausgehende elektrische Feld zum Ladungsausgleich, indem sie Gasionen
und freie Elektronen in das elektrische Feld zuführen. Diese werden aufgrund der Kraftwirkung
des elektrischen Feldes zu gegenpoligen Ladungen auf dem aufgeladenen Material hin
angezogen und bewirken dort eine Neutralisierung (Kompensation) der Aufladung. Ihre
Effizienz ist besonders hoch bei hohen Feldstärken. Da bei gleich bleibender Ladungsmenge
Q in einem Aufladungsbereich die elektrische Feldstärke E gemäß der Beziehung E ~
Q/C mit abnehmender Kapazität zunimmt, werden die bekannten Entladeeinrichtungen gezielt
in Bereichen geringer Kapazität der Anordnung, also beispielsweise möglichst weit
entfernt von Leitwalzen, positioniert.
[0005] Die bekannten Entladesysteme versagen jedoch weitgehend bei der Beseitigung von Ladungsdoppelschichten.
Dies ist zu wesentlichen Teilen auf den Umstand zurückzuführen, dass von Ladungsdoppelschichten
kein elektrisches Fernfeld ausgeht, obgleich in ihnen große Ladungsmengen gespeichert
sein können. Das von auf der einen Materialseite befindlichen positiven Ladungen ausgehende
elektrostatische Feld wird nämlich durch das von den negativen Ladungen auf der anderen
Materialseite ausgehende Feld mit negativem Vorzeichen überlagert.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle und kontaktlos
arbeitende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die insbesondere
in Anordnungen zum schnellen Transport und zur schnellen Verarbeitung von Materialien
der o.g. Art eingesetzt werden kann.
[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0008] Die Erfindung baut auf der Feststellung auf, dass Materialien, die Ladungsdoppelschichten
tragen, bei einseitigem Kontakt mit einer elektrisch leitfähigen und geerdeten bzw.
auf Masse liegenden Oberfläche ein von der dieser Oberseite abgewandten Seite ausgehendes,
messbares elektrisches Feld (nachfolgend auch als Nahfeld bezeichnet) aufweisen. Die
Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, dieses Feld zu einer mindestens
teilweisen Neutralisierung bzw. Kompensation der Ladungsdoppelschicht zu nutzen, indem
in den betreffenden Bereich (erster Bereich, Neutralisierungsbereich) des flächigen
Materials Ladungsträger geeigneter Polarität zugeführt werden.
[0009] In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das besagte Nahfeld in einem Messschritt
in einem zweiten Bereich (Messbereich) des flächigen Materials gemessen und zur Steuerung
oder Regelung eines Kompensationsschrittes benutzt, durch welchen dem flächigen Material
in dem ersten Bereich (Neutralisierungsbereich) elektrische Ladungen (positive oder
negative) zur Kompensation von auf dem flächigen Material vorhandenen Ladungen zugeführt
werden.
[0010] Eine Vorrichtung gemäß dieser Ausführung zeichnet sich aus durch ein dem flächigen
Material in dem zweiten Bereich (Messbereich) benachbartes leitfähiges Element zur
Ausbildung eines elektrischen Nahfeldes und eine dem zweiten Bereich zugeordnete Feldstärkemesseinrichtung
zur Erfassung der Feldstärke des Nahfeldes. Hierbei ist eine Kompensationseinrichtung
eingangsseitig mit der Feldstärkemesseinrichtung verbunden und zur gesteuerten Zuführung
von Ladungsträgern in den ersten Bereich (Neutralisierungsbereich) des flächigen Materials
in Reaktion auf das Erfassungsergebnis ausgebildet.
[0011] In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Bereich (Messbereich)
in Förderrichtung des flächigen Materials stromabwärts des ersten Bereiches angeordnet,
derart, dass die Steuerung der Zuführung der Ladungsträger als Regelung wirkt. Die
Messung des elektrischen Nahfeldes erfolgt hierbei nach dem Kompensationsschritt.
Es handelt sich somit um eine Regelung.
[0012] Alternativ kann der zweite Bereich (Messbereich) entgegen der Förderrichtung des
flächigen Materials stromaufwärts des ersten Bereiches (Neutralisierungsbereich) angeordnet
sein, so dass die Messung des Nahfeldes der Doppelladungsschicht vor dem Kompensationsschritt
erfolgt. Es handelt sich um eine gesteuerte Kompensation.
[0013] Die Steuerung bzw. Regelung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Kompensationseinrichtung
dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf das Erfassungsergebnis der Feldstärkemesseinrichtung
selektiv positive oder negative Ladungsträger zuzuführen und wahlweise deren Menge
geeignet einzustellen.
[0014] Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, auch aufladungs-kritische Materialien, wie
etwa Kunststofffolien oder Papierbahnen, problemlos in schnelllaufenden Anlagen zu
fördern und zu verarbeiten.
[0015] Eine bei herkömmlichen Produktionsanlagen bevorzugte Ausführung sieht vor, dass das
erste und/oder zweite leitfähige Element als leitfähige Oberfläche eines die Materialbahn
kontaktierenden Antriebs- und/oder Führungselementes einer Fördereinrichtung ausgebildet
ist. Speziell ist hierbei vorgesehen, dass das erste und/oder zweite leitfähige (speziell
geerdete) Element als Oberfläche einer Umlenkwalze ausgebildet ist.
[0016] Die Kompensationseinrichtung selbst weist bevorzugt eine mit einer Hochspannungsquelle
verbundene Aufladeelektrode auf, die bezüglich des flächigen Materials dem ersten
leitfähigen Element gegenüberliegt und Gasionen und frei Elektronen dem Material zuführt.
[0017] Verbleibende unipolare Aufladungen (quasi die nicht-kompensierte Schichtebene der
Ladungsdoppelschicht oder Teile hiervon) können durch eine der erwähnten Kompensationseinrichtung
in Material-Laufrichtung folgende konventionelle Entladeeinrichtungen in an sich bekannter
Weise beseitigt werden. Eine solche Entladeeinrichtung umfasst dann mindestens eine
als solche bekannte Entladeelektrode, wie sie u.a. von der Anmelderin erhältlich ist.
[0018] Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den abhängigen
Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und
- Fig.2
- eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- Fig. 3
- eine der Fig. 1 ähnliche weitere Ausführungsform der Erfindung,
- Fig. 4
- eine der Fig. 2 ähnliche weitere Ausführungsform der Erfindung.
[0019] Fig. 1 zeigt als Prinzipskizze eine Kompensationsvorrichtung 10 zur Kompensation
von Doppelladungen auf einer in eine Laufrichtung 12 schnell geförderten Materialbahn
11. Die Materialbahn wird bei diesem Ausführungsbeispiel über eine erste und zweite
Umlenkwalze 13, 14 Z-förmig umgelenkt. Die Umlenkwalzen 13, 14 haben eine gut leitfähige
Oberfläche, die über eine niederohmige Verbindung geerdet ist.
[0020] An der ersten Umlenkwalze 13 bildet sich aufgrund einer auf dem isolierenden Material
11 ausgebildeten elektrostatischen Doppelschicht ein elektrisches Nahfeld aus, welches
durch eine Feldstärke-Messeinrichtung 15 erfasst wird. Der Messeinrichtung 15 ist
ein Messverstärker 16 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Steuereinrichtung
17 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 17 gewinnt aus dem aufbereiteten Feldstärke-Messsignal
eine Stellgröße, die einem Steuereingang eines Hochspannungsnetzgerätes 18 zugeführt
wird.
[0021] Die von diesem erzeugte, in Abhängigkeit vom Feldstärke-Messsignal gesteuerte Hochspannung
wird einer Aufladeelektrode 19 zugeführt, die, bezogen auf die Materialbahn 11, gegenüber
der zweiten Umlenkwalze 14 angeordnet ist. Das zwischen der Aufladeelektrode 19 und
der zweiten Umlenkwalze 14 ausgebildete elektrische Feld ionisiert Gasmoleküle der
Atmosphäre und erzeugt und beschleunigt (in Abhängigkeit von Polarität und Betrag
der bereitgestellten Hochspannung) Ladungsträger auf die Materialbahn 11 hin, die
eine zumindest weitgehende Kompensation der dort vorliegenden Ladungsdoppelschicht
bewirken. Etwa verbleibende Restladungen auf der Materialbahn werden bei diesem Beispiel,
das eine gesteuerte Kompensation der Ladungsdoppelschicht beschreibt, toleriert.
[0022] In Fig. 2 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine weitere Kompensationsvorrichtung
20 in einer Fig. 1 ähnlichen Darstellung gezeigt. Funktionsgleiche bzw. - ähnliche
Komponenten sind mit an Fig. 1 angelehnten Bezugsziffern bezeichnet.
[0023] Eine isolierende Materialbahn 21 hat hier über zwei geerdete Umlenkwalzen 23, 24
in einer Laufrichtung 22 einen U-förmigen Abschnitt eines Laufweges. Bei dieser Ausführung
ist gegenüber der zweiten leitfähigen Umlenkwalze 24 eine Feldstärke-Messeinrichtung
25 angeordnet, deren Messsignal in eine Aufbereitungs- und Regeleinrichtung 26 eingespeist
wird, an deren Ausgang eine Stellgröße für ein steuerbares Hochspannungsnetzgerät
28 bereitgestellt wird. Dieses Netzgerät 28 ist mit einer in gleicher Weise wie bei
der ersten Ausführungsform wirkenden Aufladeelektrode 29 gegenüber der ersten leitfähigen
Umlenkwalze 23 verbunden.
[0024] Bei der vorliegenden Ausführung wird durch den Regelkreis die der Materialbahn 21
über die Auflade- bzw. Kompensationselektrode 29 zugeführte Ladung so eingestellt,
dass die von der Feldstärke-Messeinrichtung 25 gemessene Feldstärke des Nahfeldes
an der Umlenkwalze 24 Null wird. Die Ausgestaltung des Kompensationsvorganges als
Regelung ergibt somit bereits eine verbesserte Kompensationswirkung gegenüber der
ersten Ausführungsform. Zusätzlich sind stromabwärts der zweiten Umlenkwalze 24 konventionelle
Entladeelektroden 31, jeweils mit zugeordnetem Netzteil 32, zur Beseitigung etwa verbleibender
unipolarer Aufladungen auf den beiden Oberflächen der Materialbahn 21 vorgesehen.
[0025] Gemäß den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind die beiden Umlenkwalzen
13 und 14 von Fig. 1 und die beiden Umlenkwalzen 23 und 24 von Fig. 2 geerdet. Es
sind jedoch auch andere elektrische Potenziale verwendbar. Die in Förderrichtung 12
bzw. 22 des flächigen Materials 11 bzw. 21 zweite Umlenkwalze 14 in Fig. 1 bzw. erste
Umlenkwalze 23 in Fig. 2 definiert jeweils einen ersten Bereich (Neutralisierungsbereich)
des flächigen Materials 11 bzw. 21, in welchem die zweite Umlenkwalze 14 in Fig. 1
bzw. die ersten Umlenkwalze 23 in Fig. 2 bevorzugt an Erdpotential angeschlossen sind,
jedoch stattdessen auch an ein anderes elektrisches Potential angeschlossen sein können,
welches ein elektrisches Gegenpotential zu dem elektrischen Potential der Aufladeelektrode
19 in Fig. 1 bzw. der Aufladeelektrode 25 in Fig. 2 bildet.
[0026] Die in Förderrichtung 12 bzw. 22 des flächigen Materials 11 bzw. 21 erste Umlenkwalze
13 in Fig. 1 bzw. zweite Umlenkwalze 24 in Fig. 2 definiert jeweils einen zweiten
Bereich (Messbereich), in welchem die erste Umlenkwalze 13 in Fig. 1 bzw. zweite Umlenkwalze
24 in Fig. 2 bevorzugt an Erdpotential angeschlossen ist, jedoch stattdessen auch
an ein anderes elektrisches Potential angeschlossen sein kann, welches ein elektrisches
Gegenpotential zu dem elektrischen Potential der Aufladungsschicht auf der benachbarten
Seite des flächigen Materials 11 bzw. 21 bildet.
[0027] Anstatt der Umlenkwalzen 13 und/oder 14 in Fig. 1 sowie 23 und/oder 24 in Fig. 2
können auch andere das flächige Material bzw. 21 kontaktierende oder nichtkontaktierende,
aber in der Nähe benachbart zu dem flächigen Material angeordnete, Walzen oder Rollen
oder nicht-rotierende Elemente, z. B. Gleitkontakte oder berührungslose Platten oder
Elektroden verwendet werden (so nahe, dass die beschriebene elektrische Wirkung eintritt).
[0028] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem ersten Bereich (Neutralisierungsbereich)
anstatt der zweiten Umlenkwalze 14 in Fig. 1 bzw. der ersten Umlenkwalze 23 in Fig.
2 ein rotierendes oder vorzugsweise ein nichtrotierendes elektrisch leitfähiges Element
vorgesehen, welches das flächige Material 11 bzw. 21 nicht kontaktiert.
[0029] In dem zweiten Bereich (Messbereich) ist es zwar vorteilhaft, eine erste Umlenkwalze
13 in Fig. 1 bzw. eine zweite Umlenkwalze 24 in Fig. 2 oder eine andere Walze oder
Rolle zu verwenden, welche das flächige Material 11 bzw. 21 kontaktiert, jedoch kann
stattdessen auch ein das flächige Material 11 bzw. 21 nicht kontaktierendes, aber
nahe des flächigen Materials angeordnetes Element verwendet werden.
[0030] Die Ausführungsform 30 von Fig. 3 entspricht funktionsmäßig der Ausführungsform 10
von Fig. 1. Es sind die gleichen Elemente vorgesehen, mit der Ausnahme, dass in Fig.
3 eine Rolle 313 anstatt der Umlenkwalze 13, und ein das flächige Material 11 nicht-kontaktierendes
Element 314 anstatt der Umlenkwalze 14 vorgesehen sind.
[0031] Die Ausführungsform 40 von Fig. 4 entspricht funktionsmäßig der Ausführungsform 20
von Fig. 2. Es sind die gleichen Elemente vorgesehen, mit der Ausnahme, dass in Fig.
4 eine Rolle 424 anstatt der Umlenkwalze 24, und ein das flächige Material 21 nicht-kontaktierendes
Element 423 anstatt der Umlenkwalze 23 vorgesehen sind.
[0032] Wenn ein nicht-kontaktierendes elektrisch leitfähiges Element 314 bzw. 423 im ersten
Bereich (Neutralisierungsbereich) oder ein nicht-kontaktierendes elektrisch leitfähiges
Element anstatt der Umlenkwalzen 13, 24, 313 bzw. 424 im zweiten Bereich (Messbereich)
verwendet wird, wird dieses vorzugsweise so nahe wie möglich bei dem flächigen Material
11 bzw. 21 (welches eine schwankende oder flatternde Bahn sein kann) angeordnet, z.
B. mit einem Abstand zwischen 2 mm und 20 mm.
[0033] Die Erfindung ist auch dann vorteilhaft verwendbar, wenn im ersten Bereich (Neutralisierungsbereich)
gegenüber der Aufladeelektrode 19 bzw. 29 auf der von ihr abgewandten Seite des flächigen
Materials 11 bzw. 21 kein leitfähiges Element (Gegenelektrode) 14, 23, 314 bzw. 423
angeordnet ist. Wenn ein solches elektrisch leitfähiges Element verwendet wird, dann
ist seine zur Aufladeelektrode zeigende Seite vorzugsweise klein, z. B. eine Spitze
oder Kante. Das Element kann z. B. ein Draht oder ein Seil mit elektrisch leitfähiger
Oberfläche sein.
[0034] Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern
es ist eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen. Insbesondere sind Kombinationen der verschiedenen Aspekte der beschriebenen
Ausführungsformen und der abhängigen Ansprüche in beliebiger Kombination miteinander
dem Schutzbereich der Erfindung zuzurechnen.
1. Vorrichtung (10; 20; 30; 40) zur kontaktlosen Beseitigung einer elektrostatischen
Ladungsdoppelschicht von einem geförderten flächigen, elektrisch im wesentlichen isolierenden
Material (11; 21), enthaltend eine dem flächigen Material in einem ersten Bereich
benachbart angeordnete kontaktlose Kompensationseinrichtung (16-19; 26-29) zur Zuführung
von Ladungsträgern zum flächigen Material im ersten Bereich zur mindestens teilweisen
Kompensation der Ladungen mindestens in einer Schichtebene der Ladungsdoppelschicht;
ein dem flächigen Material (11; 21) in einem zweiten Bereich benachbartes elektrisch
leitfähiges Element (13; 24; 313; 424) zur Ausbildung eines elektrischen Nahfeldes,
wobei der zweite Bereich und der erste Bereich voneinander entfernt sind, und
eine dem zweiten Bereich zugeordnete Feldstärkemesseinrichtung (15; 25) zur Erfassung
der Feldstärke des Nahfeldes,
wobei die Kompensationseinrichtung (16-19; 26-29) eingangsseitig mit der Feldstärkemesseinrichtung
(15; 25) verbunden und zur gesteuerten Zuführung von Ladungsträgern zum Material auf
das Erfassungsergebnis ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Bereich (13; 313) in Förderrichtung des Materials (11) stromaufwärts des
ersten Bereiches (14; 314) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Bereich (24; 424) in Förderrichtung des Materials (21) stromabwärts des
ersten Bereiches (23; 423) angeordnet ist, und dass die Steuerung der Zuführung der
Ladungsträger als Regelungseinrichtung ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kompensationseinrichtung (16-19; 26-29) dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf
das Erfassungsergebnis der Feldstärkemesseinrichtung selektiv positive oder negative
Ladungsträger zuzuführen.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein elektrisch leitfähiges Element (14; 23; 314; 423) in dem ersten Bereich gegenüber
der Kompensationseinrichtung auf der von ihr abgewandten Seite des flächigen Materials
benachbart zu dem flächigen Material angeordnet ist zur Bildung eines elektrischen
Nahfeldes.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Element (13, 14; 23, 24; 313; 424) des ersten Bereiches und/oder des
zweiten Bereiches als leitfähige Oberfläche eines die Materialbahn kontaktierenden
Antriebs- und/oder Führungselementes einer Fördereinrichtung ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Element des ersten Bereiches und/oder des zweiten Bereiches als Oberfläche
einer Umlenkwalze (13, 14; 23, 24) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Element des ersten Bereiches und/oder des zweiten Bereiches geerdet
ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kompensationseinrichtung (16-19; 26-29) eine mit einer Hochspannungsquelle (18;
28) verbundene Aufladeelektrode (19; 29) aufweist, die bezüglich des flächigen Materials
dem elektrisch leitfähigen Element des ersten Bereiches gegenüberliegt, und dem Material
positive oder negative Ladungen zuführt.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts der Kompensationseinrichtung (26-29) eine Entladeeinrichtung (31, 32)
zur Abführung verbliebener unipolarer Aufladungen von dem flächigen Material (21)
vorgesehen ist.