УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 2007 года по МПК B29C71/04 H01T19/00 

Изобретение относится к электронно-ионным технологиям, конкретнее к устройствам обработки поверхности изделий, преимущественно из полимерных материалов, с целью повышения поверхностной адгезии к красящим, клеящим и подобным веществам без существенного изменения физико-механических свойств материала. Предпочтительная область применения полиграфическое производство.

Уровень техники

Известны устройства для обработки поверхности коронным разрядом (см. Заявка DE №3923101, 1989 г.; патент US №5278409, 1992 г.; АС №527787, 1976 г.; Н01Т 19/04), содержащие, по меньшей мере, одну электродную пару, соединенную с высокочастотным генератором напряжения и образующую зазор, через который пропускается обрабатываемый материал. Указанные устройства характеризуются высокой производительностью, однако они позволяют обрабатывать только пленочные и тонкие листовые материалы, имеющие плоскую ровную поверхность.

Известно устройство для обработки поверхностей деталей из пластмассы в коронном разряде (см. патент США №5264989, МПК Н01Т 19/00, 1991 г.), включающее несколько пар электродов, покрытых слоем диэлектрика. Электроды размещены соответственно своему знаку в двух полых корпусах, промежуток между которыми образует рабочую зону, куда помещают обрабатываемое изделие. Устройство содержит систему подачи воздуха через полости корпусов и ряд направляющих отверстий непосредственно на электроды и далее вокруг них в рабочую зону. Направленная подача воздуха обеспечивает охлаждение электродов, а направленность потоков навстречу друг другу - равномерное перераспределение поля коронного разряда по всей рабочей зоне, что позволяет обрабатывать изделия, имеющие сложную форму поверхности. Недостатком известного устройства является невозможность обработки крупных объемных изделий, т.к. размеры межэлектродного пространства ограничены условиями получения коронного разряда.

Наиболее близким по конструктивным признакам к заявляемому устройству решением является прибор коронного разряда (см. патент на изобретение US №20010030541, 18.10.2001 г., 324/455, G01N 027/60), содержащий блок электродов и блок питания и управления, соединенные между собой посредством электрического кабеля и газопроводной трубки. Блок питания и управления включает исходную силовую цепь, устройство управления и источники газа. Блок электродов включает сборку из двух стержневых электродов, соединенный с ними высокочастотный повышающий трансформатор с цепью генерации высокочастотного напряжения и газопровод для подачи газа в пространство между электродами, завершающийся выпускным каналом, в котором размещены концы электродов, загнутые навстречу друг другу. Достоинством прибора является возможность обработки поверхности изделий любых габаритов и формы за счет того, что электроды при обработке изделия размещены с одной стороны от его обрабатываемой поверхности. При этом направленная подача газа в пространство между электродами в направлении обрабатываемой поверхности позволяет «вытолкнуть» «плазму» коронного разряда из межэлектродного пространства и, отклоняя ее в виде дуги, приблизить к обрабатываемой поверхности.

Однако устройство характеризуется малой зоной обработки, т.е. единовременно охватываемой площадью поверхности, и как следствие низкой производительностью. В решении предусмотрена возможность увеличения зоны обработки за счет конусного расширения выпускного канала, что незначительно, а также путем объединения в одном мультиустройстве нескольких электродных блоков, что усложняет и утяжеляет конструкцию и, следовательно, ограничивает возможности упомянутого увеличения.

Раскрытие изобретения

Заявляемым изобретением решается задача повышения производительности обработки поверхности изделий, предпочтительно объемных, крупногабаритных со сложной формой поверхности, за счет увеличения зоны обработки, т.е. единовременно охватываемой при обработке площади поверхности.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве обработки поверхности коронным разрядом, содержащем, по меньшей мере, пару стержневых электродов, предназначенных для получения коронного разряда и смонтированных в одном корпусе с зазором между собой, образующим область коронного разряда и открытым в сторону обрабатываемой поверхности, и систему подачи газа через упомянутый зазор в направлении обрабатываемой поверхности, согласно заявляемому изобретению на боковой поверхности каждого стержневого электрода, покрытой слоем диэлектрика, выполнена продольная грань, а упомянутый зазор образован между обращенными навстречу друг другу продольными гранями электродов, при этом упомянутый диэлектрик характеризуется возникновением множества равномерно распределенных по его поверхности коронных разрядов при подаче на упомянутые электроды высокого напряжения.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить новый технический результат, а именно: возможность неограниченного увеличения зоны обработки, что позволяет значительно повысить производительность обработки.

В отличие от прототипа, где коронный разряд получают между концевыми частями стержневых электродов, в заявляемом устройстве получение коронного разряда осуществляют между двумя обращенными навстречу друг другу плоскостями - продольными гранями, выполненными на боковой поверхности стержневых электродов. Образованное между гранями щелевое пространство, в котором заключена область коронного разряда открыто в направлении обрабатываемой поверхности и его размеры определяют размеры зоны обработки. Межэлектродное расстояние, или другими словами - ширина зазора между гранями, совместно с величиной подаваемого на электроды напряжения обеспечивают условия получения коронного разряда. От длины (протяженности) грани, определяемой протяженностью стержня электрода, возникновение коронного разряда не зависит, но зависит величина зоны обработки. Таким образом, увеличивая длину стержня можно увеличить зону обработки, причем указанное увеличение ограничено только соображениями целесообразности, т.к. технически получение коронного разряда от длины электродов не зависит. Однако коронный разряд между двумя электродами в газах возникает в сильно неоднородном поле, обусловленном, например, значительным различием формы поверхности электродов. Возникает проблема получения коронного разряда между двумя плоскостями.

Указанное противоречие (проблема) решена в заявляемом устройстве за счет покрытия поверхности электрода диэлектриком, характеризующимся возникновением множества равномерно распределенных по его поверхности коронных разрядов при подаче на электроды высокого напряжения. К таким диэлектрикам относятся, например, материалы высоковольтной электротехнической керамики. Коронный разряд возникает вокруг имеющихся на поверхности диэлектрика шероховатостей, т.е. мелких острых выступов, неровностей поверхности, обусловленных материалом диэлектрика и его обработкой, что подтверждено экспериментально. При проведении испытаний опытного образца после подачи на электроды высокого напряжения замечено возникновение на последних множества четко различимых ярких точек - свечения коронного разряда, равномерно распределенных по поверхности диэлектрика.

Коронные разряды возникают за счет неоднородности электрического поля между острыми выступами шероховатостей одного электрода и плоскостью другого и наоборот. Зарождающиеся лавины заряженных частиц (ионов) и электронов распространяются от шероховатостей одного электрода к плоскости другого по наикратчайшему расстоянию, т.е. - по прямой. Таким образом между плоскими гранями электродов возникает поле коронного разряда высокой плотности. Подаваемый в щелевое отверстие между гранями поток воздуха отклоняет потоки заряженных частиц по дуге в направлении обрабатываемой поверхности. Другими словами «выталкивает» их из межэлектродного пространства, приближая к обрабатываемой поверхности.

Покрытие электродов слоем диэлектрика позволяет увеличить подаваемое напряжение, т.е. повысить мощность разряда и при этом исключить угрозу пробоя - перехода коронного разряда в дуговой. Повышая мощность разряда, увеличивают объем ионизированного газа, активизирующего обрабатываемую поверхность. Таким образом, дополнительным результатом изобретения является увеличение плотности полученного коронного разряда.

В заявляемом устройстве электроды не только служат для создания коронного разряда, но и выполняют функцию направляющих элементов, образующих выпускной канал для потока газа и фокусирующих его в направлении обрабатываемой поверхности.

Преимущественными диэлектрическими материалами для покрытия электродов являются материалы высоковольтной электротехнической керамики, представляющей собой спеченные тонкозернистые изделия. Указанный материал хорошо «держит» не только высокочастотный (порядка 20 кГц) разряд около 20 кВ, но и высокую температуру. Таким образом, применяемый диэлектрик, с одной стороны позволяет получить высокомощный разряд, обеспечивающий получение большого количества ионизированного газа, а с другой стороны защищает от электрического пробоя.

Предпочтительным исполнением электродов являются стержни-многогранники с поперечным сечением в виде прямоугольника.

Стержни могут быть смонтированы с параллельным расположением коронирующих поверхностей, т.е. продольных граней. Это обеспечивает одинаковую плотность получаемого разряда по всему разрядному промежутку.

С целью расширения зоны обработки стержни могут быть смонтированы с расположением коронирующих поверхностей, т.е. продольных граней под углом друг относительно друга.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано схематичное изображение устройства, общий вид; на фиг.2 - схематичное изображение электродного блока; на фиг.3 - фрагмент с фиг.2; на фиг.4 показан пример установки электродов под углом друг относительно друга.

Осуществление изобретения

Осуществление заявляемого изобретения было подтверждено проведенными испытаниями и работой опытного образца.

Устройство для обработки поверхности изделий коронным разрядом содержит (см. фиг.1) электродный блок 1, включающий пару коронирующих стержневых электродов 2, смонтированных в корпусе 3 с зазором 4 между собой, образующим область коронного разряда, и связанный с блоком 1 блок 5 генерации высокочастотного напряжения. Связь блоков 1 и 5 осуществлена посредством электрического кабеля 6 и газопроводной трубки 7. Блок 5 включает также источник газа, например вентилятор (не показан).

Каждый электрод 2 выполнен в виде стержня-многогранника, имеющего прямоугольное поперечное сечение (см. фиг.2, 3) и состоящего из токопроводящего сердечника 8 и слоя керамического диэлектрика 9, покрывающего боковую поверхность последнего. Электроды 2 смонтированы в корпусе 3 таким образом, что обращенные навстречу друг другу грани 10 электродов 2 расположены параллельно друг другу, т.е. образованное между гранями 10 щелевое пространство, имеет по длине электродов одинаковую величину.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают на печатный станок. Подключают электродный блок 1 к блоку 5 генерации высокочастотного напряжения. Подают питание на блок 5, который генерирует энергию высокого напряжения повышенной частоты, подаваемую на электроды 2. Между электродами 2 возникает коронный разряд.

Коронный разряд, образующийся в сильно неоднородном поле, возникает на острых выступах и шероховатостях слоя 9 диэлектрика. Зарождающиеся лавины электронов и ионов распространяются по кратчайшему расстоянию от одного электрода к другому, т.е. по прямой. Полученная корона разряда «зажигается» между противолежащими гранями 10 электродов 2, т.е. поле коронного разряда размещается (заключено) в щелевом пространстве 4 между электродами. Добиваются равномерного свечения разряда. Запускают в работу систему подачи газа. В большинстве случаев для создания потока газа используют воздух. Однако для обработки особо стойких прочных материалов может быть использован другой газ, например, гелий, при этом устройство помещают в вакуумную камеру. В рассматриваемом примере осуществляют подачу воздуха. Для этого включают вентилятор, осуществляющий забор воздуха из атмосферы. Поток воздуха по газопроводной трубке 7 подается в полость корпуса 3, где организован газопроводный канал 11, открывающийся в межэлектродное пространство зазора 4. Поток воздуха под действием давления нагнетания устремляется через разрядный промежуток 4 между электродами 2, отклоняя потоки заряженных частиц в виде дуги 12. Изменяя мощность подачи воздуха, устанавливают необходимую величину отклонения короны разряда. Экспериментально была установлена возможность отклонения до 30-50 мм.

Изделие 13 подается на позицию обработки или перемещается вдоль устройства, причем подлежащая обработке поверхность изделия 13 расположена напротив открытого зазора 4 между электродами 2. Скорость перемещения изделия и величина отклонения разряда просчитываются заранее или устанавливаются экспериментально для каждой конкретной поверхности, подлежащей обработке.

Электроды 2 не только создают коронный разряд, но и выступают направляющими элементами для потока воздуха. Противолежащие грани 10 электродов образуют выпускной канал системы подачи газа. Поворачивая электроды и изменяя угол, под которым противолежащие грани 10 электродов расположены по отношению друг к другу (см.фиг.4), можно изменить форму выпускного канала, расширить или сузить зону обработки. Для этого электроды 2 могут быть закреплены в корпусе 3 посредством шарнирных соединений 14, что позволяет осуществить переустановку взаимного углового расположения противолежащих граней 10 электродов 2.

Как показано на фиг.4, канал для прохода воздуха приобретает конусное расширение к выходу, что позволяет расширить зону обработки.

Для обеспечения равномерной подачи воздуха полость корпуса 3 может быть выполнена с учетом условий организации ламинарного газового потока.

Заявляемое устройство, реализующее заявляемый способ, позволяет производить обработку изделий из различных полимерных материалов (полиэтилена, полипропилена, других полиолефинов), а также из бумажных материалов, например, картона, с целью повышения поверхностной адгезии к красящим, клеящим и подобным веществам.

Изобретение относится к электронно-ионным технологиям и предназначено для использования при обработке поверхности, преимущественно, крупногабаритных и объемных изделий из полимерных материалов, с целью повышения поверхностной адгезии к красящим, клеящим и подобным веществам без существенного изменения физико-механических свойств материала. Устройство содержит по меньшей мере, одну пару стержневых электродов, предназначенных для получения коронного разряда. На боковой поверхности каждого стержня-электрода выполнена продольная грань, при этом электроды смонтированы в одном корпусе с зазором между обращенными навстречу друг другу упомянутыми продольными гранями. Зазор открыт в сторону обрабатываемой поверхности и через него организована подача газа в направлении обрабатываемой поверхности. Возможность получения коронного разряда между плоскостями продольных граней обеспечивается за счет покрытия боковой поверхности каждого стержневого электрода слоем диэлектрика, характеризующегося возникновением множества равномерно распределенных по его поверхности коронных разрядов при подаче на электроды высокого напряжения. Устройство позволяет значительно расширить зону обработки и повысить производительность устройства. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство обработки поверхности коронным разрядом, содержащее, по меньшей мере, пару стержневых электродов, предназначенных для получения коронного разряда и смонтированных в одном корпусе с зазором между собой, образующим область коронного разряда и открытым в сторону обрабатываемой поверхности, и систему подачи газа через упомянутый зазор в направлении обрабатываемой поверхности, отличающееся тем, что на боковой поверхности каждого стержневого электрода, покрытой слоем диэлектрика, выполнена продольная грань, а упомянутый зазор образован между обращенными навстречу друг другу продольными гранями электродов, при этом упомянутый диэлектрик характеризуется возникновением множества равномерно распределенных по его поверхности коронных разрядов при подаче на упомянутые электроды высокого напряжения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрик выполнен из высоковольтной электротехнический керамики.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый стержневой электрод выполнен в виде стержня-многогранника с поперечным сечением в виде прямоугольника.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержневые электроды смонтированы с расположением граней параллельно относительно друг друга.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержневые электроды смонтированы с расположением граней под углом друг к другу.