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Die Erfindung geht aus von einer Emissionsspitzen-Anordnung an Hochspannungselektroden zum Aufladen oder Entladen von Substraten, mit wenigstens einer Emissionsspitze, und mit einem Trägerkörper aus einem isolierenden Material, der wenigstens einen hochohmigen Vorwiderstand aufweist und an einem mit einem isolierenden Verguss versehenen Metallprofil angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Emissionsspitze über den Vorwiderstand an einem Hochspannungsanschluss anschließbar ist. Dabei kann das Metallprofil geerdet und mit einer Isolierschicht versehen und der Vorwiderstand elektrisch isoliert an dem Metallprofil angeordnet sein. Die Erfindung geht außerdem aus von Verfahren zum Betrieb einer solchen Anordnung in Wechselspannung bei einer bestimmten Scheitelspannung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Emissionsspitzen-Anordnung mit Hilfsluftzuführung.
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Passive und aktive Entladeelektroden oder aktive Aufladeelektroden sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen und Varianten bekannt. Häufig besitzen solche Elektroden mehrere Emissionsspitzen, die in verschiedenen Rasterweiten einreihig, zweireihig oder auch derart als flächig ausgebildetes Emissionsspitzenarray angeordnet sind, dass sie beispielsweise einem Fakirbrett ähneln. Sehr oft sind solche Emissionsspitzen zusammen mit einem strombegrenzenden Widerstand in längliche U-Profile mittels isolierenden Gießharzes eingebettet. Der elektrische Widerstand ist entweder jeder Einzelspitze oder auch n-Spitzen zugeordnet. Passiv wirkende Entladeelektroden findet man in der Praxis oft auch ohne strombegrenzende Widerstände im Einsatz.
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In Anwesenheit eines elektrischen Feldes soll bei einer Anordnung von Emissionsspitzen aktiver und passiver Hochspannungselektroden an den Spitzen die höchstmögliche elektrische Feldstärke wirksam sein. Neben der Einhaltung weiterer Randbedingungen müsste dazu die jeweilige Spitze hinreichend weit aus der isolierenden Einbettung herausragen. Dies ist durchaus vergleichbar mit dem notwendigerweise freistehenden Ende eines Blitzableiters über dem zu schützenden Objekt.
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Eben diese Bedingung der freistehenden Spitze aber wird beim Einsatz derartiger Elektroden in der Praxis aus gutem Grund der Arbeitssicherheit untergeordnet. Um nämlich die Verletzungsgefahr des Maschinenpersonals an derartigen Elektroden mit Emissionsspitzen zu minimieren, ragen die üblicherweise starren und massiven Emissionsspitzen kaum aus dem isolierenden Verguss des Elektrodenprofils heraus. Oft sind die beiden Schenkel des meist U-förmigen Profilquerschnittes derart konstruiert, dass sie eine Ebene mit den Spitzen bilden, damit auch bei unbeabsichtigter seitlicher Berührung des Elektrodenkörpers die Verletzungsgefahr minimal bleibt.
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Von Nachteil ist dabei, dass diese räumliche Nähe der Emissionsspitze zur Oberfläche des Profilkörpers unter den üblichen Betriebsbedingungen die elektrische Feldstärke an der Spitze beträchtlich vermindert, da große Feldbereiche des elektrischen Feldes mit kürzer werdendem freien Spitzenende zunehmend durch den Isolierkörper auf die leitfähigen, eingegossenen Leiter des inneren Elektrodenaufbaues hindurch greifen und daher nicht wie beabsichtigt an den frei stehenden Spitzen enden, um dort die höchstmögliche Feldstärke zu erzeugen.
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Werden Entladeelektroden passiv betrieben, so geht dies beispielsweise mit einer signifikanten Erhöhung des Korona-Einsatzes bezogen auf das zu entladende Oberflächenpotential einher. Der Begriff Korona-Einsatz beschreibt dabei jene Spannung, bei der vor den Spitzen durch Stoßionisation freie Ladungsträger, also Elektronen und Ionen beider Polarität, erzeugt werden, welche letztlich die passive Entladung bewirken; das Gas zwischen den Spitzen und der geladenen Objektoberfläche wird leitfähig. Mit anderen Worten, bei solchen, nicht optimalen Korona-Einsatz-Bedingungen verbleibt die passiv zu entladende Objektoberfläche auf höherem Potential, oder: die passive Entladeleistung der Elektrode ist umso geringer, je weniger die Emissionsspitze aus dem Verguss ragt.
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Für aktiv betriebene Entladeelektroden gilt sinngemäß, dass bei kurzen Spitzen, unter den erläuterten geometrischen Verhältnissen, für die angestrebte aktive Entladewirkung die zur Erzeugung hinreichend vieler Luft- bzw. Gasionen erforderliche Wechselbetriebsspannung der Elektrode zu erhöhen ist, womit der Wirkungsgrad der aktiven Entladeleistung abnimmt. Hohe Betriebsspannungen im Kilovolt-Bereich bringen dabei weitere Nachteile für den Betrieb solcher Elektroden mit sich, nämlich eine verminderte Betriebssicherheit, die störende Nähe geerdeter Maschinenteile und nicht zuletzt die höheren Herstellkosten, sowohl für die Elektrode als auch für das Hochspannungsnetzteil.
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Für positiv oder negativ betriebene Gleichspannungs(DC)-Aufladeelektroden hat eine nicht frei stehende Spitze den Nachteil, dass der für die Applikation erforderliche Ladestrom erst bei höherer Betriebs-Hochspannung fließen kann. Die sich daraus ergebenden Nachteile sind mit denen der aktiven Entladeelektrode vergleichbar. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass dies natürlich auch für spezielle, bipolar betriebene DC-Entladeelektroden gilt.
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Aus der
DE 197 11 342 A1 ist beispielsweise eine aktive, mit AC-Hochspannung betriebene Elektrode bekannt, deren Aufbau dem zuvor Gesagten entspricht. Die starren Emissionsspitzen der dortigen Anordnung ragen nur minimal aus dem isolierenden Gießharz heraus und die beiden Schenkel des U-förmigen Profils enden etwa auf Höhe der Spitzen.
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Weiter kennt man aus der
DE 10 2011 007 138 A1 eine Ausführung spezieller Hochspannungs-Polymerwiderstände in Verbindung mit starren Emissionsspitzen, die als Halbzeug bei der Herstellung von Hochspannungselektroden Verwendung finden.
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Die
EP 1 241 755 A2 offenbart demgegenüber eine aktive Entladeelektrode mit Luftunterstützung. Hier findet man sogar Emissionsspitzen vor, die tiefer als die isolierende Umgebung der Luftführung bzw. Luftdüse liegen.
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Vergleichbar ungünstige Verhältnisse finden sich auch bei den üblichen im Handel erhältlichen Aufladeelektroden mit und ohne Luftunterstützung, bekannt etwa aus der
DE 20 2004 014 952 U1 .
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Weiter offenbart
US 5 128 547 A eine Elektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung mit einem spiralförmig gewundenen Draht als Emissionsspitze.
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Schließlich zeigt
EP 0 871 267 A1 eine Hochspannungselektrodenanordnung mit Emissionsspitzen und mit auf einem Keramiksubstrat aufgedruckten Dickschichtwiderstandsmeandern.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Anordnung von Emissionsspitzen zur Verfügung zu stellen, die die vorgenannten Merkmale vermeidet und trotz prinzipiell beliebig weitem Herausragen aus ihrem Trägerkörper bei unbeabsichtigter wie absichtlicher Berührung keine Verletzungen verursacht und auf diese Weise eine sichere Handhabung bei hohem Wirkungsgrad der Anordnung gestattet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Emissionsspitzen-Anordnung der eingangs genannten Art, bei der die Emissionsspitze aus einem Federmetall ausgebildet ist und ein elastisches Federelement bildet und ein freies Ende der Emissionsspitze als Korona-Spitze von dem Trägerkörper beabstandet frei steht. Das Federelement kann dabei beispielsweise schraubenfederartig ausgebildet sein.
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Die Emissionsspitze oder -spitzen der erfindungsgemäßen Emissionsspitzen-Anordnung sind also aus einem metallischen Feder-Werkstoff als Federspitzen ausgebildet und beispielsweise derart schraubenfederartig vorgesehen, dass sie beliebig weit über den Elektrodenkörper hinaus ragen können. Hierdurch verursachen sie bei unbeabsichtigter oder beabsichtigter Berührung keinen nennenswerten mechanischen Widerstand, der geeignet wäre, Verletzungen zu verursachen. Hierdurch wird die Voraussetzung geschaffen, die funktionellen Vorteile solcher Feder-Spitzen als Emissionsspitzen für Entlade- und Aufladeelektroden bestmöglich nutzen zu können.
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Entsprechend der zugehörigen physikalischen Gesetzmäßigkeit und auch anhand von Versuchen nachweisbar hat hierbei die freistehende Feder-Spitze ein deutlich tieferes, nämlich ein bis zu 30% vermindertes, Niveau für den Korona-Einsatz und verbessert daher selbst in der einfachsten Elektrodenausführung die Wirkung passiv arbeitender Entladeelektroden, für eine oder auch eine Anzahl von n Feder-Spitzen. Dieser positive Effekt des niedrigen Korona-Einsatzes erhöht damit auch für aktiv arbeitende AC-Entladeelektroden den Wirkungsgrad bei der Erzeugung zusätzlicher bipolarer Ionen mit derart freistehenden Korona-Spitzen. Je nach Einsatzzweck ist von Bedeutung, dass bei vergleichbarer Entladeleistung die AC Entladeelektrode mit freistehender Feder-Spitze mit niedrigerer AC Betriebs-Hochspannung auskommt. Dieser Umstand ist insbesondere in enger, geerdeter Maschinenumgebung von großer Bedeutung.
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Die Übertragung dieses Effektes auf DC-Aufladeelektroden bedeutet, dass der gewünschte bzw. der für die Auflade-Applikation erforderliche elektrische Strom ebenfalls bereits bei niedrigerer, in diesem Falle aber natürlich DC-Betriebs-Hochspannung fließen kann.
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Entsprechend ist bzw. sind bei vorteilhaften Ausführungen der Emissionsspitzen-Anordnung die Hochspannungselektrode als Auf- und/oder Entladeelektrode, mit Wechsel- oder Gleichspannung aktiv oder passiv betreibbar oder betrieben.
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Hinsichtlich der Abnutzung der Emissionsspitze im Einsatz ist eine Ausführung der Emissionsspitzen-Anordnung von Vorteil, bei der ein Endabschnitt des freien Endes der Emissionsspitze zur Längsachse der Erstreckungsrichtung des Federelements hin gebogen ist. Ein solches letztes, relativ kurzes, zum Zentrum der Schraubenfeder hin abgewinkeltes Teilstück der Emissions-Federspitze nutzt sich über die Lebensdauer der Elektrode unter nahezu konstanten geometrischen Verhältnissen ab. Im Gegensatz zu einer klassischen Spitze, deren Kegelstumpf sich zu immer größer werdendem Durchmesser über den Koronastrom abnutzen würde, hat die erfindungsgemäße Emissions-Federspitze über die Lebensdauer der Korona-Spitze konstante geometrische Verhältnisse und damit die gewünschte konstant niedrige Korona-Einsatzschwelle.
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Von Vorteil ist weiter eine Ausführung der Emissionsspitzen-Anordnung, bei der die freistehende Emissions-Federspitze bei Bedarf auch mit Luftunterstützung arbeiten kann, weswegen das Innere des schraubenartigen Federelements einen Durchgriff bildet, der an einen Kanal des Trägerkörpers anschließbar ist, über welchen der Emissionsspitze eine Hilfsluftmenge zuführbar ist. Hierzu kann die außerhalb des Elektrodenkörpers freistehende Emissions-Federspitze derart mit dem beispielsweise in einem isolierenden Verguss eingebetteten Trägerkörper verbunden sein, dass im Inneren des Trägerkörpers aus Isolierstoff der Luftkanal an den inneren Durchmesser der Emissions-Federspitze lufttechnisch passend anschließt und so die Hilfsluftmenge über einen Luft-Verteilerkanal zu jeder einzelnen Emissions-Federspitze gelangen kann.
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Die erfindungsgemäße Emissions-Federspitze ist demnach so ausgebildet, dass der Ionisierungsgrad der zum Einsatz kommenden Hilfsluftmenge bei AC-Entladeelektroden im Vergleich zu bekannten aktiven Entladeelektroden mit Luftunterstützung deutlich gesteigert werden kann. Letzteres ist gleichbedeutend mit beträchtlicher Kosteneinsparung bei der Erzeugung der für den Betrieb erforderlichen Druckluftmenge. Nicht ionisierte große Hilfsluftmengen sind neben den hohen Kosten bei vielen Prozessen an sich unerwünscht oder gar störend.
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Die Steigerung des Ionisierungsgrades der Hilfsluftmenge ist vor allem der Ausbildung der Korona-Spitze am freien Ende der Emissions-Federspitze geschuldet, die als dünnes leitfähiges Drahtende frei über dem Zentrum der luftführenden Federspitze angeordnet ist. Zweckmäßigerweise kann sich bei einer weiteren Ausführung der Emissionsspitzen-Anordnung das Federelement zu dem freien Ende der Emissionsspitze hin verjüngen. Die letzten Windungen der schraubenfederförmigen Feder-Spitze verlaufen dann beispielsweise konisch, was zu einem düsenähnlichen Luftaustritt führt. Die somit gezielt auf die Korona-Spitze gerichtete Hilfsluft unterstützt den von der Korona-Spitze generierten Ionenwind und wird damit ihrerseits bestmöglich ionisiert, was schlussendlich den hohen Wirkungs- bzw. Ionisierungsgrad sowie die Reichweitenwirkung der angebotenen ionisierten Hilfsluftmenge ausmacht.
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Bei vorteilhaften Weiterbildungen der Emissionsspitzen-Anordnung mit zweckmäßiger Isolation des jeweiligen Trägerkörpers kann dieser aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff oder einem keramischen Werkstoff ausgebildet sein.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Emissionsspitzen-Anordnung, die insbesondere eine einfache und gut handhabbare Anordnung einer Vielzahl von Emissions-Federspitzen gestattet, kann der Trägerkörper mit wenigstens einer an einer Seitenwand befindlichen Aufnahme zur Anordnung wenigstens einer Emissionsspitze versehen sein, in welche die Emissionsspitze einpressbar ist. Vorteilhafterweise kann bei einer anderen Weiterbildung hierfür die Kontur der Emissionsspitze bei deren Anordnung an dem Trägerkörper elastisch verformbar sein, wobei Kontur an dieser Stelle meint, dass die die Gestalt der Emissionsspitze bildende Struktur elastisch verformbar ist.
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Eine sichere leitende Verbindung zwischen dem Widerstand und der jeweiligen Emissionsspitze lässt sich bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Emissionsspitzen-Anordnung dadurch herstellen, das der wenigstens eine Vorwiderstand mäanderartig auf den Trägerkörper aufgebracht ist und das Federelement im Bereich der Aufnahme mittels eines leitenden Klebstoffes kontaktiert. Es sind an dieser Stelle auch andere Ausbildungen des Vorwiderstandes denkbar.
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Bei einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Emissionsspitzen-Anordnung ist die Anordnung mit dem Trägerkörper von einem geerdeten Metallprofil aufgenommen und der Vorwiderstand elektrisch isoliert an dem Metallprofil angeordnet, wodurch die Vorteile der Technologie von Metallprofilen nutzbar sind. Aufgrund guter Handhabbarkeit ist dabei das Metallprofil vorzugsweise aus einem strangpressbaren Werkstoff gefertigt, insbesondere aus einem Aluminium-Werkstoff.
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Aus Sicherheitsgründen sind die erwähnten Metallprofile elektrisch immer geerdet, was bedeutete, dass ein Großteil der erzeugten Elektronen und bipolaren Ionen nach Erdpotential abflösse, weswegen eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung darin besteht, das erwähnte Metallprofil mit einer dünnen, sowohl mechanisch, als auch elektrisch hinreichend widerstandsfähigen Isolierschicht zu versehen. Wählt man den Volumenwiderstand dieser Isolierschicht > 109 Ωm, bei hinreichend hoher elektrischer Durchschlagspannung, so fließt kein für die Elektrodenfunktion relevanter elektrischer ohmscher Strom über diesen Widerstand gegen Erdpotential.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Emissionsspitzen-Anordnung kann mit einem Trägerkörper vorgesehen sein, der eine derartige, bei seiner Herstellung manipulierbare Kapazität gegenüber dem Metallprofil aufweist, dass der kapazitive Blindstrom der Hochspannungselektrode den induktiven Blindstrom des beim Betrieb einer aktiven Entladungselektrode eingesetzten Hochspannungstransformators zumindest teilweise kompensiert.
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Mit der Qualität der elektrischen Isolierung erhöht sich auch die bauartbedingte Qualität der Kapazität (kleiner Verlustwinkel tanδ) des Metallprofils, sowohl gegen den eingegossenen Trägerkörper als auch gegen die freistehende Korona-Spitze. Dies ist insofern erwünscht als zum Betrieb aktiver AC-Entladeelektroden Hochspannungs-Transformatoren benutzt werden, die an sich induktive Bauelemente darstellen. Der zum Betrieb des Transformators erforderliche induktive Blindstrom wird im vorliegenden Fall, bei passender Dimensionierung des Metallprofils, vom kapazitiven Blindstrom der Kapazität des gesamten Elektrodenaufbaus vorteilhafterweise weitgehend kompensiert. Nach den Gesetzen der Wechselstromlehre bedeutet dies, dass derart modifizierte Metallprofile kleinere Trafo-Bauformen zum Betrieb der AC-Elektroden benötigen, die bei Bedarf mit der Elektrode eine Einheit bilden. Letzteres vermeidet in vorteilhafter Weise dann das Verlegen von Hochspannungskabeln zwischen Transformator und Elektrode. Die primärseitige AC-Versorgungsspannung des Transformators können entweder die übliche Netzspannung oder die 24 VAC Steuerspannung elektrischer Anlagen sein. Neben diesen kostengünstigen Lösungen ist die Versorgung des Transformators mit elektrischer Energie auch mit 24 VDC Steuerspannung eine Option; allerdings ist dann die notwendige AC-Spannung für den Transformator über eine Halbleiterschaltung zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung von Emissionsspitzen mit wenigstens einer Emissionsspitze, insbesondere einer Anordnung wie vorstehend beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass die Hochspannungselektrode in Wechselspannung mit einer Scheitelspannung betrieben wird, die geringer ist, als die Durchschlagspannung für die verwendete Geometrie der Korona-Spitze gegen das geerdete, mit der Isolierschicht versehene Metallprofil. In vorteilhafter Weise wird dabei die kapazitive Kopplung der Korona-Spitze der AC-Entladeelektrode gegen Erdpotential ausgenutzt. Die kapazitive Kopplung zwischen Korona-Spitze und dem an der Oberfläche elektrisch isolierten, im Inneren aber geerdeten, Metallprofil verbessert die Ionenerzeugung von aktiven AC-Elektroden zusätzlich, was einer zusätzlichen wesentlichen Steigerung des Wirkungsgrades gleichkommt. Dabei muss der Abstand der Korona-Spitze zur Isolierschicht so gewählt werden, dass die Scheitelspannung der AC-Betriebs-Hochspannung kleiner ist als die Durchschlagspannung für die Geometrie der Korona-Spitze gegen das geerdete Metallprofil mit der Isolierschicht. Hierbei sind auch keine weiteren, isoliert eingebetteten Erdleiter notwendig.
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Überdies findet die Aufgabe einer Lösung durch ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung von Emissionsspitzen mit wenigstens einer Emissionsspitze, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Emissionsspitze als Federelement ausgebildet ist und einen Durchgriff bildet, durch welchen der Korona-Spitze im Betrieb eine Hilfsluftmenge zugeführt wird, da der Ionisierungsgrad der zum Einsatz kommenden Hilfsluftmenge bei AC-Entladeelektroden im Vergleich zu bekannten aktiven Entladeelektroden mit Luftunterstützung deutlich gesteigert werden kann. Hierbei unterstützt die gezielt auf die Korona-Spitze gerichtete Hilfsluft den von der Korona-Spitze generierten Ionenwind und wird damit ihrerseits bestmöglich ionisiert, was schlussendlich den hohen Wirkungs- bzw. Ionisierungsgrad sowie die Reichweitenwirkung der angebotenen ionisierten Hilfsluftmenge ausmacht.
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Die vorstehende Anordnung von Emissionsspitzen hat demnach eine Reihe von Vorteilen, die sich ungefähr wie folgt zusammenfassen lassen.
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Durch Herabsetzung der Korona-Einsatzschwelle wird eine gesteigerte passive Entladewirkung erreicht. Dies ist gleichbedeutend mit der elektrischen Entladung aufgeladener Oberflächen herunter auf entsprechend niedrigere elektrische Rest-Oberflächenpotentiale. Die Herabsetzung der Korona-Einsatzschwelle der frei stehenden Spitze erhöht außerdem für aktive AC-Entladeelektroden den Wirkungsgrad bei der zusätzlichen Erzeugung bipolarer Ionen und Elektronen. Bei vergleichbarer Entladeleistung reduziert sich sinngemäß die Höhe der erforderlichen Betriebs-Hochspannung. Die Serienschaltung jeder freistehenden Feder-Spitze mit einem hochohmigen Widerstand in der Größenordnung 108 Ω, wobei alle Widerstände einzeln am gemeinsamen Hochspannungsanschluss angeschlossen sind, erlaubt den Einsatz derartiger Feder-Spitzen sowohl für passiv betriebene Entladeelektroden, wie auch für aktiv betriebene Entladeelektroden, und auch für DC-Aufladeelektroden in explosionsgefährdeter Umgebung. Außerdem benötigen DC-Aufladeelektroden mit einer Anordnung derartig freistehender Emissions-Federspitzen ebenfalls eine niedrigere Betriebs-Hochspannung zur Erzeugung des für die jeweilige Applikation erforderlichen Ladestroms.
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Hinsichtlich der Unterstützung mittels eines Hilfsluftstromes ergibt sich der Vorteil einer effizienteren Ionisierung der Hilfsluftmenge zur Erhöhung der Reichweite der Entladewirkung aktiver Entladeelektroden für mittlere und große Reichweiten. Die Hilfsluft kann auch lediglich zur stetigen oder intervallweisen effizienten Reinhaltung der Korona-Spitze in schmutziger Umgebung zum Einsatz kommen. Dies hat sowohl für Entlade- als auch für Aufladeelektroden Bedeutung. Aufladeelektroden, wie sie beispielsweise bei sog. ”Top Loading” ESA Systemen in Druckmaschinen Verwendung finden, bekommen dadurch ein deutlich längeres Wartungsintervall.
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Die aktive Entladung mit Luftunterstützung und gleichzeitig reduzierter AC Betriebs-Hochspannung erlaubt den effizienten Einsatz auch in relativ enger geerdeter Maschinenumgebung, wie beispielsweise bei Verpackungsvorgängen in der Pharmaindustrie etc.. Hierbei stellen nun eine große Reichweite der Entladewirkung und die nahe geerdete Maschinenumgebung keinen Widerspruch mehr dar.
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Bezüglich der Ausbildung des Endabschnitts der Emissions-Federspitze ergibt sich der bauartbedingte Vorteil, dass das letzte, relativ kurze, zum Zentrum der Schraubenfeder hin abgewinkelte Teilstück der Feder-Spitze sich über die Lebensdauer der Elektrode unter nahezu konstanten geometrischen Verhältnissen abnutzt. Im Gegensatz zu einer klassischen Spitze, deren Kegelstumpf sich zu immer größer werdendem Durchmesser über den Koronastrom abnutzte, hat die erfindungsgemäße Emissions-Federspitze über die Lebensdauer der Korona-Spitze konstante geometrische Verhältnisse und damit die gewünschte konstant niedrige Korona-Einsatzschwelle.
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Schließlich besteht zwangsläufig mechanischer Berührungsschutz für beliebig lange, über den Elektrodenkörper hinaus freistehende Feder-Spitzen dank der Elastizität und damit verbunden der Flexibilität der Feder-Spitze.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei in teilweise schematisierter Darstellung die
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1 eine geschnittene Seitenansicht zweier alternativer Elektrodenausführungen mit den für die Funktion erforderlichen Komponenten, einmal ohne mögliche Luftunterstützung mit Metallprofil (unten) und einmal mit Metallprofil und integriertem Luft-Verteilerkanal für eine optionale Luftunterstützung (oben);
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2 einen Trägerkörper mit mehreren eingebauten Emissions-Federspitzen und aufgebrachten Widerständen und getrennten Luftkanälen für jede Feder-Spitze in einer geschnittenen Seitenansicht (links) und einer Draufsicht von oben (rechts) zur Verdeutlichung der Aufnahmen für die Emissions-Federspitzen;
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3 eine geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Emissionsspitzen-Anordnung mit Luft-Verteilerkanal aus der oberen Ansicht der 1 in größerer Detailtiefe.
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Die 1 zeigt zwei im Ganzen mit 100 bezeichnete Emissionsspitzen-Anordnungen, in denen jeweils eine Emissionsspitze 1 zu erkennen ist, die als schraubenfederartiges Federelement ausgebildet ist. Die zugehörige Emissionsspitzen-Anordnung 100 weist jeweils einen Trägerkörper 7 aus einem isolierenden Material auf, dieser hat für die Emissionsspitzen 1 nur in der 2 erkennbare, hochohmige Vorwiderstände 13, wobei die wenigstens eine Emissionsspitze 1 jeweils über den Vorwiderstand 13 an einem Hochspannungsanschluss 14 anschließbar ist.
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In den Darstellungen der 1 sind die Emissionsspitzen 1 mit dem zugehörigen Trägerkörper 7 jeweils in einem Metallprofil 10, 10a aufgenommen. In der oberen Ansicht weist das Metallprofil 10 einen Luft-Verteilerkanal 9 auf, der sich in den Luftkanal 8 des Trägerkörpers 7 fortsetzt, so dass über angeschlossene Druckluft eine Hilfsluftmenge 15 (nur in 3 erkennbar) der Emissionsspitze 1 zugeführt werden kann. Der unteren Ansicht der 1 mit dem Metallprofil 10a fehlt der entsprechende Luftverteilerkanal.
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Die Emissionsspitzen für elektrische Entlade- oder Aufladeelektroden der 1 bis 3 werden mit einer AC- oder DC-Hochspannung Ug betrieben, der Vorwiderstand 13 ist elektrisch isoliert und an dem Trägerkörper 7 angeordnet, der in einem geerdeten Metallprofil 10 eingebettet ist. Die Emissionsspitze 1 ist aus Federmetall ausgebildet und weist eine schraubenfederähnliche Form auf. Das freie Ende der Emissionsspitze 1 steht als Korona-Spitze 2 frei über dem Trägerkörper 7, wobei der dem Trägerkörper abgewandte Endabschnitt 3 der Emissionsspitze 1 zur Längsachse von deren Erstreckungsrichtung hin gebogenen ist. Daher nutzt sich der Endabschnitt 3 beim Betrieb der Elektrode von der Korona-Spitze 2 her unter nahezu konstanten geometrischen Verhältnissen ab, was mit nahezu konstanten Emissionsbedingungen für den Korona-Strom der Korona-Spitze 2 gleichzusetzen ist In den 2, 3 und der oberen Darstellung der 1 erkennt man, dass der Innendurchmesser der Emissionsspitze 1 an einen Luftkanal 8 im Inneren des Trägerkörpers 7 angeschlossen ist. Dabei bilden die Windungen des Federelements der Emissionsspitze 1 derart einen Durchgriff 18, dass die Hilfsluftmenge 15 zur Verbesserung der Ionenreichweite über den Luft-Verteilerkanal 9 zu jeder einzelnen Emissionsspitze 1 und Korona-Spitze 2 gelangt. Die Steigerung des Ionisierungsgrades der Hilfsluftmenge 15 erfolgt dabei über die geometrische Positionierung der Korona-Spitze 2 über dem Zentrum der Emissionsspitze 1. Überdies wird die Steigerung des Ionisierungsgrades der Hilfsluftmenge 15 über den konisch abnehmenden Durchmesser der letzten Windungen 4 des düsenähnlich wirkenden Luftaustritts 5 der Emissionsspitze 1 bewirkt, die Hilfsluftmenge 15 kann zusammen mit dem düsenähnlich wirkenden Luftaustritt 5 bei Bedarf auch lediglich zur Reinigung bzw. Reinhaltung der Korona-Spitze 2 dienen.
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Emissionsspitzen 1 der Emissionsspitzenanordnung 100 können zur Erzielung höchstmöglicher Feldstärke an der Korona-Spitze 2 beliebig weit über den Verguss 6 des Metallprofils 10 hinaus ragen, es besteht trotzdem keine Verletzungsgefahr, da die Emissionsspitzen als Federelemente ausgebildet und elastisch flexibel sind. In den 1 bis 3 erkennt man auch, dass die gegen das Erdpotential 12 angeschlossenen Metallprofile 10, 10a mit einer Isolierschicht 11 versehen sind, so dass die an AC-Hochspannung angeschlossenen Emissionsspitzen 1 über die angepasste kapazitive Kopplung der Korona-Spitze 2 gegen das jeweilige Metallprofil 10 bzw. 10a, die bipolare Ionenproduktion gegenüber herkömmlichen Elektroden mehr als verdoppeln können.
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Der in den 1 bis 3 gezeigte Trägerkörper 7 ist aus einem isolierenden Kunststoff hergestellt. In der 2 erkennt man hierzu, dass der Trägerkörper 7 dabei derart vorgesehen ist, dass die Emissionsspitzen 1 jeweils passgenau und ohne Lötprozess in nach einer Seite offene Aufnahme 17 des Trägerkörpers 7 eingepresst werden können, indem sich der Durchmesser der Emissionsspitzen 1 elastisch verformt.
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Weiter erkennt man in der 2, dass der Vorwiderstand 13 auf dem Trägerkörper 7 mäanderförmig angeordnet ist und mittels eines leitenden Klebstoffs 16 die metallische Emissionsspitze 1 im Bereich der nach einer Seite offenen Aufnahme 17 elektrisch kontaktiert. Die bauartbedingte Kapazität des Trägerkörpers 7 gegen das Metallprofil 10 wird dimensioniert, dass der mit der Elektrodenlänge zunehmende kapazitive Blindstrom den induktiven Blindstrom eines nicht weiter dargestellten AC-Hochspannungs-Transformators zum Betrieb der aktiven Entladeelektrode weitgehend kompensiert, was sehr kleine Transformatoren ermöglicht, die zusammen mit dem Metallprofil 10 eine Einheit bilden können (nicht gezeigt).
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Sich nochmals der 3 zuwendend erkennt man in dieser die Schnittansicht eines strangartigen Metallprofils 10, das sich in die Betrachtungsebene fortsetzt, mit einer Isolationsschicht 11 versehen ist und an seinem für den Betrachter oberen Ende U-förmig ausgebildet ist. Zwischen den Schenkeln der U-förmigen Profilierung ist ein Widerstandskörper 7 mit Luftkanal 8 aufgenommen, an dessen dem Metallprofil 10 abgewandten Ende eine Emissionsspitze 1 angeordnet ist. Die Emissionsspitze 1 ist aus einem Federmetall als Federelement schraubenartig ausgebildet, ihr freies Ende verjüngt sich für den Betrachter mit seinen letzten Windungen 4 nach oben, der Endabschnitt 3 ihres freien Endes bildet eine Korona-Spitze 2, die in Richtung der Längsmittelachse der Emissionsspitze gebogen ist. Das für den Betrachter untere Ende der Emissionsspitze 1 ist mit seinem Querschnitt an den Luftkanal 8 angeschlossen, so dass eine Hilfsluftmenge 15 aus dem Luft-Verteilerkanal 9 in den Querschnitt zugeführt werden kann, die zu dem Luftaustritt 5 an der Korona-Spitze 2 führen. An dem der Emissionsspitze abgewandten Ende des Metallprofils 10 hat dieses einen Erdanschluss 12.
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Entsprechend betrifft die vorstehend beschriebene Erfindung eine Emissionsspitzen-Anordnung 100 an Hochspannungselektroden zum Aufladen oder Entladen von Substraten, mit wenigstens einer Emissionsspitze 1, und mit einem Trägerkörper 7 aus einem isolierenden Material, der wenigstens einen hochohmigen Vorwiderstand 13 aufweist, wobei die wenigstens eine Emissionsspitze 1 über den Vorwiderstand 13 an einem Hochspannungsanschluss 14 anschließbar ist. Um eine Anordnung von Emissionsspitzen zur Verfügung zu haben, die trotz prinzipiell beliebig weitem Herausragen aus ihrem Trägerkörper 7 bei unbeabsichtigter wie absichtlicher Berührung keine Verletzungen verursacht und auf diese Weise eine sichere Handhabung bei hohem Wirkungsgrad der Anordnung gestattet, ist die Emissionsspitze 1 aus einem Federmetall ausgebildet und bildet ein elastisches Federelement, und ein freies Ende der Emissionsspitze 1 steht als Korona-Spitze 2 sowohl von dem Trägerkörper 7 als auch von dem jeweiligen Metallprofil 10, 10a und dem zugeordneten isolierendem Verguss 6 beabstandet frei.