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Dokumentenidentifikation DE10251329A1 13.05.2004
Titel Vorrichtung zum Ausgleich elektrostatischer Ladungen von Personen und Gegenständen
Anmelder Feilcke, Friedrich, 91056 Erlangen, DE
Erfinder Feilcke, Friedrich, 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 05.11.2002
DE-Aktenzeichen 10251329
Offenlegungstag 13.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.05.2004
IPC-Hauptklasse H05F 3/02
Zusammenfassung Statische elektrische Entladungen des menschlichen Körpers beim Berühren von metallischen Gegenständen, die besonders bei trockener Luft auftreten, werden häufig als unangenehm oder schmerzhaft empfunden. Bisher vorgeschlagene Abhilfemaßnahmen sind umständlich oder teuer und daher nicht verbreitet. Die neue Vorrichtung soll eine praktikable, sehr kostengünstige und dauerhafte ortsfeste Abhilfe ermöglichen. Sie soll vor Anfassen des metallischen Gegenstands kurz berührt werden (4) und die elektrische Ausgleichsladung Q = C*Uco schmerzlos ableiten.
Die Vorrichtung (3, 2) stellt einen elektrischen Widerstand dar, dessen Oberfläche so gestaltet ist, daß sie elektrisch nicht überschlägt. Dieser wird leitend (2) mit dem Untergrund (1) verbunden. Ist eine leitende Verbindung nicht praktikabel, weil der Untergrund lackiert ist, ist seine Kontaktfläche zum Untergrund so groß ausgeführt, daß die isolierende Schicht eine ausreichend hohe elektrische Kapazität bildet, die die Ladung aufnimmt, so daß die Körperkapazität C sich auf ca. Uco < 2,5 kV entlädt.
Die Vorrichtung eignet sich aufgrund ihrer einfachen Anbringung (Klebung) und sehr niedrigen Kosten für Büros, Wohnungen und PKWs.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrostatische Entladungen des menschlichen Körpers an anderen, meist ohmsch oder kapazitiv geerdeten Gegenständen treten besonders bei geringer Luftfeuchte auf und werden von den Betroffenen häufig als unangenehm oder sogar schmerzhaft empfunden. Beispiele sind Funkenschlag vom Finger zu Türklinken nach dem Laufen über Kunstfaserbodenbeläge in gewerblichen Räumen, nach dem Ausziehen und Ablegen von Kleidungsstücken aus Kunstfasern, oder zwischen Passagier und PKW nach dem Aussteigen. Die Spannungen liegen dabei typischerweise im Bereich bis zu etwa 10 kV und die Energien bis zu 10 mJ, teilweise aber auch erheblich höher. Oberhalb von etwa 2500 V bis 3000 V werden die Entladungen als unangenehm empfunden. In bestimmten Umfeldern, z.B. in der Elektronik, beim Umgang mit Explosivstoffen oder brennbaren Gasen und Dämpfen können elektrostatische Entladungen sogar gefährlich für Material oder Mensch sein. Um die Ursache oder die Auswirkungen dieser Entladungen zu beseitigen, sind verschiedene Methoden entwickelt worden. Beispiele sind in der Industrie elektrisch ableitende Fußbodenbeläge, antistatische Flüssigkeiten, ESD-Kleidung und -Schuhe und Luftionisatoren. Im privaten Bereich, im Büro und bei Kraftfahrzeugen werden dagegen nur wenige technische Lösungen angeboten, z.B. Gummiableitstreifen für PKWs oder auch der Sasha Ring (USA). Die meisten Ratschläge beziehen sich aber auf Verhaltensänderungen (z.B. Kleidungsauswahl, Luftfeuchteregelung). Die häufigste Empfehlung: einen Metallgegenstand, z.B. einen Schlüssel, fest in die Hand zu nehmen und den Überschlag kontrolliert zwischen dem Metallgegenstand und dem geerdeten Gegenstand stattfinden lassen. Danach kann man den Gegenstand auch direkt ohne weitere Entladung berühren.

Eine Zusammenfassung der Problematik ist dargestellt in dem Artikel „Humans and Sparks, The Cause, Stopping the Pain, and Electric People" (1997) von William J. Beaty (http://www.amasci.com/emotor/zapped.html, 28.10.2002). Der erwähnte Sasha Ring wurde vom ESD-Journal getestet (http://www.esdjournal.com/articles/sasha/ring2.htm 28.10.2002) und für wirkungsvoll befunden. Weitere technische Lösungen sind das „Anti Shoc" (www.esdiournal.com/articles/antishoc/antishoc.htm 3.11.2002) und das „Anti-Static One Touch Pad" (www.anti-staticmat.com/AntiStaticOneTouchPad.htm 3.11.2002).

Aufgabe der Erfindung ist es eine von jedermann anzuwendende einfache, billige und dauerhafte Lösung zu schaffen, die die unangenehmen elektrostatischen Entladungen besonders im privaten Bereich und in Büros, Geschäften oder anderen Gebäuden mit Publikumsverkehr sowie im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen auf ein nicht mehr spürbaren Niveau reduzieren kann.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der zeitliche Verlauf der elektrischen Entladung bzw ihre Auswirkung können durch die Erfindung so beeinflußt werden, daß sie vom Menschen nicht mehr wahrgenommen werden. Dies geschieht entweder dadurch, daß die Höhe des Entladestroms stark reduziert wird oder dadurch, daß die funkenförmige Entladung nicht direkt von der Körperoberfläche aus erfolgt, sondern über eine externe Funkenstrecke, wobei beide Methoden auch kombiniert werden können. Derselbe Effekt wird ohne die Vorrichtung erreicht, wenn in der unmittelbaren Nähe zunächst z.B. eine steinerne Wand berührt wird. Diese ist jedoch nicht immer verfügbar, die Methode ist nicht allgemein bekannt, und die optische Erinnerung fehlt.

Vorteile

Die Vorrichtung kann fest angebracht werden. Dadurch besteht dort künftig für jeden die Möglichkeit, durch kurzes Berühren der Vorrichtung einen schmerzlosen Ladungsgleich herbeizuführen und erst danach den (geerdeten) Gegenstand zu berühren.

Ausführungsbeispiele sind weiter unten ab Zeile 84 beschrieben.

Durch die geringen Herstellungskosten und die einfache Anbringung ist es möglich, die Vorrichtungen überall einzusetzen, wo in der Vergangenheit unangenehme Entladungen beobachtet wurden. Sie können billig in Massenproduktion hergestellt werden und kommerziell auch an Endverbraucher verkauft werden, da zum wirksamen Einsatz keine Fachkenntnisse vorausgesetzt werden müssen.

Ist die Vorrichtung angebracht, ist es nicht mehr erforderlich, einen Metallgegenstand oder den genannten Sasha Ring griffbereit mit sich zu führen oder daran zu denken, ihn einzusetzen. Vielmehr kann es zur Gewohnheit werden, die Vorrichtung immer vorher kurz zu berühren, da sie sich im Blickfeld befindet.

Sie ist dann künftig auch für jeden anderen nutzbar, der den geerdeten Gegenstand berühren will oder muß.

Als Variante kann durch Anpassung der Form der Anbringungsfläche an die gekrümmte Kontur des geerdeten Gegenstands die Anbringung erleichtert werden und die Nutzungswahrscheinlichkeit erhöht werden (z.B. durch direkte Anbringung an Türknöpfen, wie sie in USA üblich sind).

Nützlich sind auch Formvarianten, die eine Berührung der Vorrichtung dadurch nahelegen, daß sie den geerdeten Gegenstand teilweise umgeben. Diese können als separates Produkt nachgerüstet werden, oder der Einbau kann auch gleich bei der Herstellung geschehen.

Bei Kraftfahrzeugen kann die Vorrichtung, in der unmittelbaren Nähe des Tankstutzens angebracht, die Wahrscheinlichkeit von Bränden, ausgelöst durch Funkenschlag, verringern, wenn der Tankende die Vorrichtung vorher immer kurz berührt (siehe hierzu den Bericht des Petroleum Equipment Institute „Summary of Fires at Refuelling Sites That Appear To Be Static Related" (www.pei.orq/static/fixe reports.htm 28.10.2002)). In der Nähe des Türschlosses an der Außenseite des Kfz angebracht, kann sie unangenehme oder schmerzhafte Entladungen beim Berühren des Fahrzeugs verhindern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

Bild 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 und 3. Außerdem ist der menschliche Körper und die Umgebung als elektrisches Ersatzschaltbild dargestellt. Der Körper 3 der Vorrichtung besteht aus ableitfähigem Material, z.B. einem mit geeigneten Füllstoffen versehenen Kunststoff. Er ist mit einem leitfähigen Klebstoff 2 auf dem Untergrund 1 befestigt. Untergrund 1 ist entweder der (geerdete) Gegenstand, dessen direkte Berührung zu einem unangenehmen elektrischen Überschlag führen könnte, oder eine Fläche in dessen unmittelbarer Nähe. Dabei ist darauf zu achten, daß der Untergrund 1 elektrisch mit dem (geerdeten) Gegenstand verbunden ist. Übliche Lackschichten sind dabei kein Hindernis. Statt einer ohmschen Verbindung genügt auch eine kapazitive Anbindung mit genügend großer Kapazität (>> 100 pF).

Wird die Vorrichtung mit dem Finger 4 berührt, entlädt sich die Kapazität C des menschlichen Körpers, begrenzt durch die Schleifeninduktivität L (i.A. < 1 Mikrohenry), den Widerstand des Körpers RK, den Widerstand der Umgebung RU (z.B. des Fußbodens, des Türrahmens und des Übergangswiderstandes zur Türklinke) und den Widerstand RV der Vorrichtung. Ist RV sehr klein oder gleich null, kommt es bei einer Ladespannung von UC0 größer gleich etwa 2,5 kV zu einem merkbaren, bei UC0 größer 3 kV auch schmerzhaften Ladungsausgleich in Form eines Funkenüberschlages kurz vor der Berührung. Ist der Widerstand der Vorrichtung RV ausreichend groß, und findet kein Überschlag entlang der Oberfläche der Vorrichtung statt, wird der Ladestrom so stark gedämpft, daß die Entladung bei den praktisch vorkommenden Ladespannungen UC0 bis etwa 25 kV nicht mehr wahrgenommen wird. Bei einem Prototypen wurde u.a. ein Widerstand von 2 Megaohm erfolgreich eingesetzt, es sind aber auch höhere und niedrigere Werte sowie nichtlineare Charakteristika möglich.

Bild 2 zeigt eine Variante der Vorrichtung von Bild 1, wobei hier der Widerstand RV durch ein diskretes elektrisches Bauelement 5 dargestellt wird, das zwischen zwei leitfähigen Flächen 6.1 und 6.2 angebracht ist. Für mechanische Stabilität und die erforderliche Kriechstreckenlänge an der Oberfläche sorgt eine isolierende Masse 7.

Bild 3 zeigt eine Variante der Vorrichtung von Bild 1, wobei hier der Widerstand RV durch eine leitfähige Schicht 8 dargestellt wird, die auf einem Isolierstoffkörper 7 angebracht ist.

Bild 4 zeigt eine Variante der Vorrichtung, bei der ein anderer Effekt als der bei Bildern 1 bis 3 beschriebene dennoch für eine schmerz- und schreckfreie Entladung sorgt. Wenn nämlich der Funkenschlag nicht von der menschlichen Haut Oberfläche ausgeht, sondern von einem mit der Haut durch die Berührung elektrisch leitend verbundenen Gegenstand, z.B. der oberen Elektrode 6.1, dann werden Entladungen bis zu einer gewissen Höhe nicht als unangenehm empfunden, obwohl kein dämpfender Effekt auf den Strom vorhanden ist. Der Funkenschlag erfolgt hier zwischen den Elektroden 9.1 und 9.2., wobei jeweils 9.1 elektrisch leitend mit 6.1 und 9.2 mit 6.2 verbunden ist.

Bild 5 zeigt eine Formvariante der Vorrichtung aus den Bildern 1 bis 4, bei der die Kontur der Verbindungsfläche an diejenige einer Türklinke angepaßt ist, was die Anbringung und Benutzung bei modernen Türdrückergarnituren mit kleinen Rosetten erleichtert.

Bild 6 zeigt eine weitere Formvariante, angepaßt an die in USA üblichen Dreh-Türknöpfe, geeignet zum nachträglichen Anbringen.

Bild 7 zeigt eine weitere Formvariante, ebenfalls für die in USA üblichen Türknöpfe, die bereits bei der Herstellung angebracht werden kann.

Bild 8 zeigtmögliche Symbole, die den Benutzer daran erinnern sollen, zuerst die Vorrichtung und dann erst den (geerdeten) Gegenstand zu berühren.

Nicht gezeigt ist eine Variante der Ausführung nach Bild 4, bei der die Funkenstrecke als Glimmentladungsvorrichtung, ggf. mit einem Reihenwiderstand, ausgeführt ist und die Isoliermasse transparent, so daß die Entladung beobachtet werden kann.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum sanften, schmerz- und schreckfreien Entladung statischer elektrischer Ladung von Personen oder Gegenständen, dadurch gekennzeichnet,

    – dass die Vorrichtung auf oder in der unmittelbaren Nähe des Gegenstands anzubringen ist, dessen direkte Berührung sonst zu einer mit Schmerz oder Schreck verbundenen elektrischen Entladung führen könnte, und die vorher zum kontrollierten Ladungsausgleich berührt werden soll,

    – dass sie bei Berührung durch den menschlichen Körper einen Ableitwiderstand gegen den Untergrund, auf dem sie befestigt ist, von mindestens 100 Kiloohm, höchstens jedoch einigen hundert Megaohm darstellt und diesen Widerstandswert auch bei niedriger Luftfeuchte nicht überschreitet, oder die eine integrierte Funkenstreckenanordnung enthält,

    – dass ihre Oberfläche durch Formgebung, Schlagweite oder Materialauswahl so ausgebildet ist, daß bei den fraglichen Spannungen keine niederohmige Entladung über die Oberfläche entsteht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Klebstoff erhöhter Leitfähigkeit auf dem Untergrund befestigt werden kann oder mit einer anderen elektrisch leitfähigen oder ableitfähigen Verbindung.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderlichen elektrischen Eigenschaften entweder durch Einbau eines diskreten elektrischen Widerstandes oder durch die Wahl eines oder die Kombination mehrerer Materialien mit entsprechender spezifischer elektrischer Leitfähigkeit erreicht wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass die schmerz- und schreckfreie Entladung durch eine Funkenstreckenanordnung mit einer Ansprechspannung von ca 2000 V +– 50% erreicht wird.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Kontaktfläche an die Kontur des Gegenstandes angepaßt ist, auf dem die Vorrichtung angebracht werden soll.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstruktives Element des Gegenstandes mit den elektrischen Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestattet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstreckenanordnung als Glimmentladungsanordnung ausgeführt wird und die Umhüllung transparent ausgeführt wird.
  8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit Zeichen gekennzeichnet ist, die den Effekt symbolisieren und so zur Berührung auffordern oder daran erinnern.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werbeaufdrucke für Wirtschaftsunternehmen oder Organisationen angebracht werden.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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