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Vorrichtung zur elektrostatischen Beschichtung eines Gegenstandes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrostatischen Beschichtung eines Gegenstandes mit Hil- fe eines durch ein elektrostatisches Feld beeinflussten ringförmigen Sprühnebels aus flüssigem Beschichtung- material, wobei ein ringförmiges Niederschlagsmuster entsteht, bestehend aus einemrotierenden, an eine
Hochspannungsquelle angeschlossenen glockenförmigen Zerstäuberkopf zur Abgabe des Sprühnebels an-den zu überziehenden geerdeten Gegenstand sowie einer Hilfselektrode, die zur Beeinflussung des Nieder- schlagsmusters dient.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist es zwar möglich, die unbeschichtete zentrale Zone mit
Hilfe der Hilfselektrode einzuengen, jedoch hat dies gleichzeitig eine Abweichung des Niederschlagsmu- sters von der Kreisform zur Folge. Aus diesem Grunde sind der Anwendung der bekannten Vorrichtung enge
Grenzen gesetzt. Insbesondere ist ein Einsatz der bekannten Vorrichtung in Fällen, in denen eine gleich- mässige oder nahezu gleichmässige Beschichtung von kreisförmigen Scheiben gefordert wird, unmöglich.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die angeführten Nachteile zu beseitigen und eine Vorrichtung der eingangs angeführten Art zu schaffen, die es ermöglicht, den mittleren freien Teil des Niederschlagsmu- sters weitgehend zum Verschwinden zu bringen, ohne dass dabei die äussere Begrenzung des Niederschlagsmusters geändert wird. Dies wird erfindungsgemäss vor allem dadurch erreicht, dass die Hilfselektrode im mittleren Bereich des Zerstäuberkopfes angeordnet ist und in an sich bekannter Weise ein zwischen dem Potential des Zerstäuberkopfes und dem Erdpotential liegendes Potential aufweist.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ragt die Elektrode über den Rand des Zerstäubers vor.
Dieses Merkmal wurde zwar bei Beschichtungsvorrichtungen, die nicht zur Herstellung ringförmiger Niederschlagsmuster dienen, bereits vorgeschlagen, es dient dort aber anderen Zwecken.
Schliesslich soll in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Elektrode Scheibenform aufweisen und innerhalb der Nabe des Zerstäubers montiert sein.
Die Erfindung ist aus der nachstehenden Beschreibung und der Zeichnung klar verständlich. In dieser zeigt Fig. l eine Seitenansicht einer elektrostatischen Handspritzpistole nach einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 einen Teil der Handspritzpistole der Fig. 1 und Fig. 3 einen Querschnitt durch die Handspritzpistole, von hinten gesehen. Fig. 4 zeigt in einer Vorderansicht den drehbaren Zerstäuberkopf der Handspritzpistole und Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Beschichtungsanlage mit der Pistole nach Fig. 1 bis 4. Fig. 6 zeigt schematisch eine andere im Zusammenhang mit der Erfindung anwendbare elektrische Schaltung. Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines typischen Auftragsmusters, das mit der Pistole nach Fig.
1 bis 5 auf einem flachen Blech erzeugt wird, wenn die Pistole nicht erfindungsgemäss ausgebildet bzw. betrieben wird. Fig. 8 zeigt ein mit dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenes Niederschlagsmuster.
Fig. 9 zeigt eine elektrostatische Handspritzpistole nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 10 zeigt imDetail dieScheibe und den Zerstäuber der Pistole nach Fig. 9. Schliesslich zeigt Fig. li ein Schaltschema einer anderen erfindungsgemässen Anordnung.
In den Fig. 1 bis 4 ist dieHandspritzpistole mit 10 bezeichnet. Sie besitzt ein aus Isoliermaterialbestehendes Gehäuse 11 und einen mit dem Gehäuse 11 verbundenen Handgriff 12 aus Metall. Auf dem Gehäuse 11 ist ein ebenfalls aus Metall befindlicher hinterer Deckel 13 montiert, der mit dem Handgriff 12 verbunden ist. Innerhalb einer geerdeten, flexiblen Schutzhülle 15 sind eine biegsame Welle 18, eine Hochspannungsleitung und eine Zuführungsleitung für flüssiges Beschichtungsmaterial vorgesehen.
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biegsame Welle 18 geht von einem nicht dargestellten Antrieb aus und rotiert in einem SchlauchLängsschlitz 20a einer Metallbüchse 20 eingreift, welche mit O-Ringen 21 fest in eine Hohlwelle 22 aus
Isoliermaterial eingesetzt ist.
Die Welle 22 ist drehbar in einer Hülse 23 gelagert, die mit einer Klemm- schraube 24 aus Kunststoff in, dem Gehäuse, 11 befestigt ist.
Auf dem vorderen Ende der Welle 22 sitzt mit einer Klemmschraube 27 befestigt ein Zerstäuberträger
26, der manchmal auch als Prallring bezeichnet wird. Ein vorne mit einem'vorzugsweise messerscharfen,
Flüssigkeit abgebenden bzw. zerstäubenden Rand 28a ausgebildeter ringförmiger Zerstäuber 28 sitzt kon- zentrisch auf der Welle 22 und wird von dem Träger 26 mit Stiften 29 im Abstand gehalten, so dass zwi- schen dem Aussenrand 26a des Trägers und der die Flüssigkeit führenden Innenfläche 28b des Zerstäubers eine Ringöffnung 30 frei bleibt. Der Träger 26, die Schraube 27, der Zerstäuber 28 und die Stifte 29 bestehen sämtlich aus Isoliermaterial. Die Drehung der flexiblen Welle 18 wird über die Büchse 20, die Hohlwelle 22 und den Träger 26 auf den Zerstäuber 28 übertragen, so dass dieser-konzentrisch um die Achse der Welle 22 umläuft.
In die Welle 22 ist eine Metallelektrode 32 eingesetzt, die sich mit einer freiliegenden halbkugelförmigen Spitze über das. vordere Ende der Welle hinaus erstreckt. Die Elektrodenspitze befindet sich etwa 76 mm vor dem Rand 28a. An ihrem hinteren Ende ist die Elektrode 32 an einen hochohmigen Widerstand 34, z. B. in der Grössenordnung von 1500 Megohm, angeschlossen. Der Widerstand 34 kann durch eineFeder35 inBerührung mit der Elektrode gehalten werden, wobei die Feder auch eine elektrische Verbindung zwischen dem hinteren Ende des hochohmigen Widerstandes 34 und der Büchse 20 darstellt. Die Büchse ist infolge ihrer Verbindung mit der geerdeten biegsamen Welle 18 geerdet.
Die Hochspannungsleitung besteht aus einem Metalldraht 38, der von einer Isolierung 39 umgeben ist, die durch einen Isolierschlauch 40 geschützt ist. Das vordere Ende des Drahtes 38 ist an einen hochohmigen Widerstand 42, z. B. in der Grössenordnung von 1000 Megohm, angeschlossen. Das vordere Ende - des hochohmigen Widerstandes 42 ist elektrisch an eine kleineMetalldrahtfedei 44 angeschlossen, die mit einer an der Aussenfläche des Zerstäubers 28 angebrachten Widerstandsschicht 28c im Schleifkontakt steht.
Der Gesamtwiderstand der Widerstandsschicht 28c, gemessen von der Feder 44 zu einer über dem Zerstäu- berand 28a des Zerstäubers angeordneten leitenden Metallplatte, beträgt mindestens 20 Megohm und hat vorzugsweise eine Grössenordnung von 100 Megohm.
Flüssiges Beschichtungsmaterial wird unter Druck durch eine Zuführungsleitung 46 zugeführt, die mit Kupplungen an einen in Fig. 2 dargestellten Kanal 48 im hinteren Teil des Griftes 12 angeschlossen ist.
Der Griff 12 kann von der Bedienungsperson leicht gehalten werden und weist einen Abzug 50 auf, der ein Nadelventil. 51 steuert, das normalerweise unter der Wirkung einer Feder 52 das vordere Ende des Kanals 48 geschlossen hält. Bei Betätigung des Abzuges 50 wird das Nadelventil 51 entgegen der Kraft der Feder 52 nach vorn bewegt und öffnet dadurch den Kanal 48 für den Zufluss der Flüssigkeit in eine im Griff vorgesehene Kammer 53 und aus dieser durch einen am hinteren Ende mit einem Stöpsel 54a versehenen Kanal 54 der Pistole zu einer am vorderen Ende der Pistole vorgesehenen Düse 55. Aus der Düse 55 wird das flüssige Beschichtungsmaterial auf die Innenfläche des umlaufenden Zerstäubers 28 abgegeben, strömt durch die ringförmige Öffnung 30 und breitet sich auf der Fläche 28b des Zerstäubers zu einem dünnen Film aus.
Gemäss Fig. 5 wird die. Spritzpistole. 10 von der Hand 60 der Bedienungsperson im Abstand von einem Gegenstand 61 gehalten, der sich normalerweise ebenso wie die Bedienungsperson auf Erdpotential befindet. Die umlaufenden Teile derSpritzpistole 10 werden vorzugsweise mit 900Umdr./min in Umlauf versetzt, indem die biegsame Welle 18 an einen geerdeten Elektromotor 65 angeschlossen wird. Flüssiges Be- schichtungsmaterial wird der Pistole 10 durch Anschluss der Leitung 46 an eine Quelle 66 in einer Menge von etwa 100 cm3 pro Minute zugeführt.
Von einerHochspannungsquelle 63, die eine Spannung in der Grössenordnung von 100 kV abgibt, wird Hochspannung über die Leitung 38, den Widerstand 42, die Feder 44 und die Widerstandsschicht 28c an den Zerstäuberand 28a angelegt. Infolge des Spannungsabfalls an dem Widerstand 42 und der Schicht 28c beträgt die Spannung an dem Zerstäuberand 28a etwa 85 kV, wenn dem Rand Beschichtungsmaterial zugeführt und die Pistole etwa 30 cm von dem geerdeten Gegenstand entfernt gehalten wird.
Wenn man annimmt, dass der zu beschichtende Gegenstand 61 der nächstliegende geerdete Punkt ist, dies wird normalerweise der Fall sein, und dass er sich etwa 30 cm von der Pistole entfernt befindet, dann wird zwischen dem an Hochspannung liegenden Rand 28a und dem geerdeten Gegenstand ein elektrostatisches Feld aufgebaut, dass einen durchscbnittlichenPotentialgradienten von etwa 270 V/mm hat. Bei Betätigung des Abzuges 50 fliesst Flüssigkeit von der Druckquelle 66 über die Leitung 46 und das in Fig. 2 dargestellte Zu-.
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führungssystem in Form eines dünnen Films dem Zerstäuberand 28a zu. Im Bereich des Randes 28a wird die Flüssigkeit im wesentlichen auf das elektrische Potential des Randes 28a gebracht und zerstäubt und als Sprühnebel in das elektrostatische Feld eingeführt.
Die zwischen der Kammer 53 des Griffes 12 und dem Zerstäuberand 28a vorhandeheFlüssigkeit stellt einen elektrischen Leitweg zwischen dem auf hoher Spannung befindlichen Rand 28a und dem geerdeten Griff dar.
Die elektrische Leitfähigkeit der Bestandteile (einschliesslich des Lösungs- und Verdünnungsmittels) von flüssigen Beschichtungsmaterialien ist zwar sehr verschieden, doch können die meisten handelsübli-chen flüssigen Beschichtungsgemische als schlechte elektrische Leiter angesehen werden, die besonders in Form von Säulen kleinen Durchmessers und dünnen Filmen einen beträchtlichen Widerstand besitzen. Daher stellt die zwischen der Kammer 53 und dem Rand 28a vorhandene Flüssigkeit bei den meisten flüssigen Beschichtungsmaterialien keinen wirksamen Erdschluss dar, selbst wenn die Flüssigkeit in der Kammer 53 an Erdpotential oder einem ihm benachbarten Potential liegt.
Zwischen den stark geladenen Teilchen des zerstäubten flüssigen Beschichtungsmaterials und dem geerdeten Gegenstand wirkt eine elektrische Anziehungskraft, unter deren Wirkung die Teilchen vorwärtsbewegt und als flüssiger Überzug auf dem Gegenstand abgelagert werden. Wenn dieser Gegenstand aus einem zum Zerstäuberand parallelen ebenen Blech besteht, würde ohne die Elektrode 32 der Spritzpistole das Muster der auf dem Gegenstand abgelagerten Sprühnebelteilchen die Form eines Ringes mit einer von Sprühnebelteilchen freien mittleren Zone beträchtlicher Grösse haben. Dies ist in Fig. 7 dargestellt.
Der Gegenstand 61 ist zwar der dem Rand 28a zunächstliegende direkt geerdete Gegenstand, doch ist die Elektrode 32 an den hochohmigen Widerstand 34 angeschlossen, dessen hinteres Ende über die biegsame Welle 18 geerdet ist. Die freiliegende Spitze der Elektrode 32 befindet sich in dem elektrostatischen Feld zwischen dem Rand 28a und dem Gegenstand 61 an einer Stelle, die ohne die Elektrode 32 ein Potential von etwa 70 kV haben würde. Wenn die Elektrode 32 nicht über den hochohmigen Widerstand 34, sondern direkt an Erde liegen würde, würde sie die Spannung amRand 28a herabsetzen und die an ihm zerstäubten Sprühnebelteilchen würden von der Elektrode 32 angezogen und zumeist auf ihr abgelagert werden.
Da die Elektrode 32 jedoch über einen hochohmigen Widerstand 34 in der Grössenordnung von 1500 Megohm geerdet ist, wird die Spitze der Elektrode 32 auf einem teilchenanziehend wirkenden Potential in der Grössenordnung von 30 kV gehalten, welches bewirkt, dass Sprühnebelteilchen zwar durch die Anziehungskraft der Elektrode 32 nach innen abgelenkt werden, diese Anziehungskraft jedoch nicht so stark ist, dass auf der Elektrode oder ihrer Isolierhülle 22 eine beträchtliche Anzahl von Sprühnebelteilchen abgelagert werden.
Es wird also eine beträchtliche Anzahl von Sprühnebelteilchen aus ihrer normalen Bahn in dem ringförmigen Sprühnebel nach innen abgelenkt und gelangt gemäss Fig. 8 in die normalerweise leere mitt- lereZone desSprühnebels, so dass diese vollständig oder wenigstens zum grössten Teil mit Sprühnebelteilchen erfüllt wird. Ausserdem können die äusseren Begrenzungen des Auftragsmusters verkleinert und der Sprühnebel dichter werden. Alle diese Ergebnisse'tragen dazu bei, dass auf dem geerdeten Gegenstand ein vorteilhafterer Farbauftrag erzielt wird.
Mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung wurde bei Verwendung eines Zerstäubers von 102 mm Durchmesser, wenn das Vorderende der Spritzpistole im Abstand von etwa 30 cm von einem geerdeten ebenen Blech gehalten wurde, auf diesem ein Auftragsmuster etwa von der in Fig. 8 dargestellten Form erzielt. Die in den Fig. 7 und 8 dargestellten Auftragsmuster wurden erhalten, als die Pistole pro Minute mit etwa 100 cm3 rotem Kunstharz-Einbrennlack gespeist wurde, der mit Xylol verdünnt worden war. Durch
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leere Mittelzone mehr oder weniger ausgefüllt ist.
Die Erfindung bezweckt die Verkleinerung der leeren mittleren Zone eines ringförmigen Sprühnebels, ermöglicht aber noch weitere Vorteile. Zu diesen gehört die feine Zerstäubung des flüssigen Beschichtungsmaterials bei niedrigeren Betriebsspannungen und in manchen Fällen auch eine erhöhte Einheitlichkeit der Ablagerung von Sprühnebelteilchen an scharfen vorspringenden Kanten und in vertieften Stellen von Gegenständen.
InSprühnebelbeschichtungssystemen, in denen die Flüssigkeit vorwiegend durch elektrostatischeKräf- te zerstäubt wird, hat es sich gezeigt, dass es bei sonst konstanten Bedingungen eine obere und eine untere Grenze für die Spannung gibt, die zur Zerstäubung mit optimaler Feinheit erforderlich ist. Diese sogenannte Optimalspannung nimmt mit dem Abstand des Zerstäubers von dem zu beschichtenden Gegenstand ziemlich stark zu.
In Verfahren, in denen die Beschichtung mit Hilfe einer Fördereinrichtung durchge-
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fühlt wird, erfordert diese Abhängigkeit der Optimalspannung vom Abstand des Zerstäubers eine genaue Kontrolle des Abstandes zwischen Zerstäuber und Gegenstand.
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mm zwischen Glocke und zu beschichtendem Gegenstand die optimale Zerstäubung der Flüssigkeit erzielt wurde, wenn die Glocke ein Potential von 70 kV hatte. Bei einem Abstand der Glocke von 305 mm wa- ren zur optimalen Zerstäubung 100 kV und bei einem Glockenabstand von 457 mm 125 kV erforderlich.
Wenn man dagegen mit der gleichen Zerstäuberglocke eine Mittelsonde verwendete, die auf einem Zwi- schenpotential der vorstehend beschriebenen Grössenordnung gehalten wurde, waren bei einem Abstand von
152 mm zwischen Glocke und Gegenstand nur mehr 65 kV, bei einem Glockenabstand von 305 mm nur mehr 75 kV und bei einem Glockenabstand von 457 mm nur mehr 95 kVzur optimalenZerstäubung erfor- derlich. Die vorstehend angegebenen Glockenrandspannungen wurden durch direkte Messungen. ermittelt.
Die Erfindung ermöglicht also bei gegebenen sonstigen Bedingungen die Verwendung einer niedrigeren Spannung und damit von weniger kostspieligen Spannungsquellen. Ausserdem haben Veränderungen des
Abstandes zwischen Zerstäuber und Gegenstand eine geringere Auswirkung auf die Güte der Zerstäubung als bei den bekannten Systemen. Die Erfindung ist nicht auf einen Handzerstäuber beschränkt, da die erfindungsgemäss erzielte Verkleinerung der leeren mittleren Zone des ringförmigen Auftragsmusters natürlich nicht nur beim Handspritzen, sondern auch bei einem automatisch arbeitenden ortsfesten Zerstäuber von Vorteil ist.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Spritzpistole 70 hat die gleiche Form und Grösse wie die vorstehend beschriebene Pistole 10. Die Pistole 70 weist einen drehbaren glockenförmigen Zerstäuber 71 auf, dessen Zerstäuberand 71a mit Flüssigkeit über ein Beschickungssystem versorgt wird, das dem Beschickungssystem der Pistole 10. entspricht. An den Rand 71a wird von einer Hochspannungsquelle 73 über die Leitung 74, den hochohmigen Widerstand 75 (z. B. 500 Megohm), die Feder 76 und die Widerstandsschicht 71c auf der Aussenfläche des Zerstäubers 71 eine hohe Spannung angelegt.
Eine mit dem Zerstäuber 71 koaxial angeordnete Elektrode 78 ist mit Ausnahme ihrer vorne angeord- neten Spitze ganz von einer Welle 79 aus Isoliermaterial umschlossen. Die freiliegende Spitze der Elek- trode liegt etwa 76 mm vor dem Rand 71a. Bei Anschluss der Elektrode an die Hochspannungsquelle ist die Spitze der Elektrode 78 vorzugsweise nicht halbkugelförmig, sondern ziemlich spitz zulaufend ausgebildet.
Ähnlich wie die Welle 22 versetzt die Welle 79 den Zerstäuber 71 in Umlauf und wird von einem Motor 82 über eine biegsame Welle 81 angetrieben.
Über einen elektrischen Anschluss 83 von dem Widerstand 75 an das vordere Ende der Welle 81 wird diese ebenso wie der Motor 82 an Hochspannung gelegt. Über den Anschluss 83 und einen weiteren hochohmigen Widerstand 85 (z. B. 5000 Megohm) wird auch die Elektrode 78 an Hochspannung gelegt. In dieser Schaltung kann durch entsprechende Auswahl der Werte der Widerstände 75 und 85 die Elektrode 78 auf jedem gewünschten Potential gehalten werden, das zwischen dem der Hochspannungsquelle 73 und Erde liegt, so dass das Potential der Elektrode nicht wie in der Schaltung nach Fig. 5 durch den Abstand der Elektrode von dem Zerstäuberand und den Wert eines zwischen der Elektrode und Erde eingeschalteten Widerstandes bestimmt wird.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung an Hand einer Handspritzpistole 110. Diese besitzt ein Isoliergehäuse 111 und einen Metallgriff 112. An das hintere Ende der Pistole 110 sind eine biegsame Hochspannungsleitung 114, eine Niederspannungsleitung 115 und eine Zuführungsleitung 116 für Flüssigkeit angeschlossen. Diese drei Leitungen sind von einer Schutzhülle 118 umschlossen.
Die Hochspannungsleitung 114 besteht aus einem isolierten Metalldraht, der durch einen Isolierschlauch 119 geschützt ist. Über dieLeitung 114 wird an die Spritzpistole Hochspannung von einer Spannungsquelle 120 angelegt. Das vordere Ende der Leitung ist an einen hochohmigen Widerstand 122 angeschlossen, der eineGrössenordnung vonlOOO Megohm hat und dessen Vorderende an einen Draht124 angeschlossen ist, der mit einer Widerstandsschicht 125a auf der Aussenfläche des Zerstäubers 125 im Reibungskontakt steht.
Die Widerstandsschicht 125a besteht vorzugsweise aus einem mit einer vorherbestimmten Menge feinverteil- temKohlenstoff innigvermischtemGlyptalalkydharz. Wenn diese warmhärtende Masse auf einer isolierenden Unterlage'aufgebracht und gebrannt wird, erhält man eine Schicht von hoher Beständigkeit gegenüber den chemischen und physikalischen Einwirkungen der Bestandteile der gewöhnlich verwendeten flüssigen Beschichtungsmaterialien und mit relativ konstanten elektrischen Eigenschaften, so dass eine Momentanentladung von in der Schicht gespeicherter elektrischer Energie unmöglich ist.
Der Drehantrieb des Zerstäubers 125 erfolgt durch einen kleinen, in dem Gehäuse 111 angeordneten Elektromotor 126. Dieser wird über die Niederspannungsleitung 115 mit Strom versorgt und ist über den
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Griff 112 geerdet. Der Motor wird durch einen Ein- und Ausschalter 128 gesteuert, und seine Welle steht in Antriebsverbindung mit einer Hohlwelle 130, an deren vorderem Ende eine Nabe 131 montiert ist. Die
Nabe 131 ist konzentrisch von demZerstäuber 125 umgeben, der mit mehreren Stiften 133 im Abstand von der Nabe gehalten wird, so dass zwischen dem Aussenrand der Nabe und der die Flüssigkeit führenden Innenfläche 125b des Zerstäubers eineRingöffnung 135 frei bleibt. Die Fläche 125b läuft in einen vorspringenden
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bestehen aus Nylon od. dgl.
Bei laufendem Motor 126 dreht sich der Zerstäuber 125 konzentrisch um die
Achse der Welle 130, vorzugsweise mit einer Drehzahl in der Grössenordnung von 600 Umdr./min.
Das flüssige Beschichtungsmaterial wird über die Zuführungsleitung 116 zugeführt. Ein Abzug 136 steuert den Zufluss der Flüssigkeit von der Leitung 116 über einen in der Pistole 110 vorgesehenen Kanal.
Eine vom vorderen Ende des Gehäuses 111 vorspringende, nicht dargestellte Düse gibt einen Flüssigkeits- strom auf die Innenfläche 125b des Zerstäubers 125 ab, so dass sich die Flüssigkeit zu einem dünnen Film ausbreitet, der durch die Ringöffnung 135 zu dem Zerstäuberand 125c fliesst.
Eine konkave Scheibe 138 aus Nylon od. dgl. ist auf der Vorderseite der Nabe 131 montiert. Vorzugs- weise hat die Scheibe 138 einen zylindrischen Randteil 138a mit knapp hinter demZerstäuberand angeord- neten und ihm nahe benachbarten relativ scharfen Kanten. Die ganzescheibe 138 ist vorn und hinten mit einem Überzug 138b aus Halbleitermaterial überzogen, das vorzugsweise dieselbe Zusammensetzung hat wie das in der Widerstandsschicht 125a verwendete. Die Scheibe 138 ist über die Feder 142 und eine Lei- tung 143 elektrisch an einen hochohmigen Widerstand 140 in der Grössenordnung von 10000 Megohm an- geschlossen, dessen hinteres Ende über den Motor 126 und den Griff 112 an Erde liegt.
Im Betrieb wird die Pistole 110 mit der Hand im Abstand von einem Gegenstand 145 gehalten, der an Erdpotential liegt. Von der Spannungsquelle 120 wird an die Spritzpistole eine Hochspannung angelegt, die bei Widerständen mit den angegebenen Werten eine Grösse von etwa 120 kV hat.
Bei der dargestellten Anordnung der Scheibe 138 fliesst ein gewisser Raumladungsstrom von dem Zerstäuberand 125c zu der Scheibe und wird über deren Anschluss und den Widerstand 140 nach Erde abgelei- tet. Infolge des Spannungsabfalls an dem Widerstand befindet sich die Scheibe auf einem Potential, das zwischen dem Potential des Zerstäuberandes und Erde liegt.
(Im Vergleich zu dem Widerstandswert des Widerstandes 140 ist der der Schicht 138b so klein, dass er in den meisten Fällen vernachlässigt werden kann.) Infolge der auf einem Zwischenpotential befindlichen Scheibe 138 hat das elektrische Feld in nächster Nähe des Zerstäuberandes 125c eine im wesentlichen einwärtsgerichtete Radialkomponente, so dass Sprühnebelteilchen im wesentlichen gleichzeitig mit ihrer Zerstäubung und Aussendung von dem Flüssigkeitskörper zur Mitte des Sprühnebels hin bewegt werden. Die Sondenwirkung verringert die Aussenmasse des Auftragsmusters, verbessert seine Einheitlichkeit und bewirkt eine beträchtliche Verkleinerung seiner leeren mittleren Zone. Die Sprühnebelteilchen werden jedoch nicht mit einer solchen Kraft einwärtsbewegt, dass eine beträchtliche Menge von Sprühnebelteilchen tatsächlich auf der Scheibe 138 abgelagert wird.
Die Ablagerung von Sprühnebelteilchen auf der Scheibe wird ferner dadurch vermieden, dass die Scheibe konkav ausgebildet und hinter dem Rand 125c angeordnet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur elektrostatischen Beschichtung eines Gegenstandes mit Hilfe eines durch ein elektrostatisches Feld beeinflussten ringförmigen Sprühnebels aus flüssigem Beschichtungsmaterial, wobei ein ringförmiges Niederschlagsmuster entsteht, bestehend aus einem rotierenden, an eine Hochspannungsquelle angeschlossenen, glockenförmigen Zerstäuberkopf zur Abgabe des Sprühnebels an den zu beschichtenden geerdeten Gegenstand sowie einer Hilfselektrode, die zur Beeinflussung des Niederschlagsmusters dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (32 bzw. 78) im mittleren Bereich des Zerstäuberkopfes angeordnet ist und in an sich bekannter Weise ein zwischen dem Potential des Zerstäuberkopfes und dem Erdpotential liegendes Potential aufweist.
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Device for the electrostatic coating of an object
The invention relates to a device for the electrostatic coating of an object with the aid of an annular spray of liquid coating material influenced by an electrostatic field, with an annular precipitation pattern being produced, consisting of a rotating pattern on one
Bell-shaped atomizer head connected to a high-voltage source for delivering the spray mist to the earthed object to be coated as well as an auxiliary electrode which serves to influence the precipitation pattern.
In a known device of this type, it is possible to use the uncoated central zone
Use the auxiliary electrode to constrict, but this also results in a deviation of the precipitation pattern from the circular shape. For this reason, the application of the known device are narrow
Limits. In particular, it is impossible to use the known device in cases in which a uniform or almost uniform coating of circular disks is required.
The aim of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned and to create a device of the type mentioned in the introduction which makes it possible to make the central free part of the precipitation pattern largely disappear without changing the outer boundary of the precipitation pattern . According to the invention, this is achieved above all in that the auxiliary electrode is arranged in the central region of the atomizer head and, in a manner known per se, has a potential between the potential of the atomizer head and the earth potential.
According to a further feature of the invention, the electrode protrudes over the edge of the atomizer.
While this feature has been proposed in coating devices other than those used to produce annular deposition patterns, it is used for other purposes.
Finally, in a further embodiment of the invention, the electrode should have the shape of a disk and be mounted within the hub of the atomizer.
The invention can be clearly understood from the following description and drawing. 1 shows a side view of an electrostatic manual spray gun according to an embodiment of the invention, FIG. 2 shows part of the manual spray gun of FIG. 1, and FIG. 3 shows a cross section through the manual spray gun, seen from behind. FIG. 4 shows a front view of the rotatable atomizer head of the hand spray gun and FIG. 5 shows a schematic representation of a coating system with the gun according to FIGS. 1 to 4. FIG. 6 shows schematically another electrical circuit that can be used in connection with the invention. Fig. 7 shows an example of a typical application pattern that is produced with the gun of Fig.
1 to 5 is generated on a flat sheet metal if the pistol is not designed or operated according to the invention. 8 shows a precipitation pattern obtained with the method according to the invention.
Fig. 9 shows an electrostatic hand spray gun according to another embodiment of the invention.
Fig. 10 shows in detail the disc and the atomizer of the pistol according to Fig. 9. Finally, Fig. 1 shows a circuit diagram of another arrangement according to the invention.
The hand-held spray gun is designated 10 in Figs. It has a housing 11 made of insulating material and a metal handle 12 connected to the housing 11. A rear cover 13, which is also made of metal and is connected to the handle 12, is mounted on the housing 11. A flexible shaft 18, a high-voltage line and a supply line for liquid coating material are provided within a grounded, flexible protective sheath 15.
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The flexible shaft 18 is based on a drive (not shown) and rotates in a longitudinal tube slot 20a of a metal bushing 20 which, with O-rings 21, extends firmly into a hollow shaft 22
Insulating material is used.
The shaft 22 is rotatably mounted in a sleeve 23 which is fastened in the housing 11 with a clamping screw 24 made of plastic.
On the front end of the shaft 22 sits an atomizer support, fastened with a clamping screw 27
26, sometimes called the baffle ring. A front with a 'preferably razor-sharp,
The annular atomizer 28 a liquid-emitting or atomizing edge 28a sits concentrically on the shaft 22 and is held at a distance from the carrier 26 with pins 29, so that between the outer edge 26a of the carrier and the inner surface 28b of the liquid-guiding Atomizer a ring opening 30 remains free. The carrier 26, screw 27, atomizer 28 and pins 29 are all made of insulating material. The rotation of the flexible shaft 18 is transmitted to the atomizer 28 via the sleeve 20, the hollow shaft 22 and the carrier 26, so that it rotates concentrically around the axis of the shaft 22.
A metal electrode 32 is inserted into the shaft 22 and extends with an exposed hemispherical tip beyond the front end of the shaft. The electrode tip is approximately 76 mm from the edge 28a. At its rear end, the electrode 32 is connected to a high-resistance resistor 34, e.g. B. in the order of 1500 megohms connected. The resistor 34 can be held in contact with the electrode by a spring 35, which spring also provides an electrical connection between the rear end of the high-ohmic resistor 34 and the sleeve 20. The sleeve is grounded as a result of its connection to the flexible shaft 18 that is grounded.
The high-voltage line consists of a metal wire 38 which is surrounded by insulation 39, which is protected by an insulating tube 40. The front end of the wire 38 is connected to a high resistance 42, e.g. B. in the order of 1000 megohms connected. The front end - of the high resistance 42 is electrically connected to a small metal wire spring 44 which is in sliding contact with a resistor layer 28c attached to the outer surface of the atomizer 28.
The total resistance of the resistive layer 28c, measured from the spring 44 to a conductive metal plate arranged above the atomizing edge 28a of the atomizer, is at least 20 megohms and is preferably of the order of magnitude of 100 megohms.
Liquid coating material is supplied under pressure through a supply line 46 which is connected by couplings to a channel 48 shown in FIG. 2 in the rear part of the handle 12.
The handle 12 can be easily held by the operator and has a trigger 50 which has a needle valve. 51 controls which normally under the action of a spring 52 keeps the front end of the channel 48 closed. When the trigger 50 is actuated, the needle valve 51 is moved forward against the force of the spring 52 and thereby opens the channel 48 for the inflow of liquid into a chamber 53 provided in the handle and out of this through a channel provided at the rear end with a plug 54a 54 of the gun to a nozzle 55 provided at the front end of the gun. From the nozzle 55, the liquid coating material is dispensed onto the inner surface of the rotating atomizer 28, flows through the annular opening 30 and spreads on the surface 28b of the atomizer to form a thin film out.
According to FIG. 5, the. Spray gun. 10 held by the operator's hand 60 at a distance from an object 61 which, like the operator, is normally at ground potential. The rotating parts of the spray gun 10 are preferably rotated at 900 rpm by connecting the flexible shaft 18 to a grounded electric motor 65. Liquid coating material is supplied to the gun 10 by connecting the line 46 to a source 66 in an amount of about 100 cc per minute.
A high voltage source 63, which delivers a voltage in the order of magnitude of 100 kV, applies high voltage via the line 38, the resistor 42, the spring 44 and the resistive layer 28c to the atomizing edge 28a. Due to the voltage drop across resistor 42 and layer 28c, the voltage across atomizer rim 28a when coating material is applied to the rim and the gun is held approximately 30 cm from the grounded object is approximately 85 kV.
Assuming that the object 61 to be coated is the closest grounded point, which will normally be the case, and that it is approximately 30 cm from the gun, then there will be a between the high voltage edge 28a and the grounded object electrostatic field built up that has an average potential gradient of about 270 V / mm. When the trigger 50 is actuated, liquid flows from the pressure source 66 via the line 46 and the inlet shown in FIG.
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guide system in the form of a thin film to the atomizer edge 28a. In the area of the edge 28a, the liquid is essentially brought to the electrical potential of the edge 28a and atomized and introduced into the electrostatic field as a spray mist.
The liquid between the chamber 53 of the handle 12 and the atomizing rim 28a provides an electrical conduction path between the high voltage rim 28a and the grounded handle.
The electrical conductivity of the constituents (including the solvent and diluent) of liquid coating materials varies widely, but most of the commercially available liquid coating mixtures can be regarded as poor electrical conductors, especially in the form of small-diameter columns and thin films Have resistance. The liquid present between the chamber 53 and the edge 28a therefore does not constitute an effective earth fault in most liquid coating materials, even if the liquid in the chamber 53 is at earth potential or a potential adjacent to it.
An electrical attractive force acts between the highly charged particles of the atomized liquid coating material and the earthed object, under the effect of which the particles are moved forward and deposited as a liquid coating on the object. If this article were made of a flat sheet metal parallel to the edge of the atomizer, without the spray gun electrode 32 the pattern of the spray particles deposited on the article would be in the form of a ring with a central zone of considerable size free of spray particles. This is shown in FIG. 7.
The object 61 is the directly earthed object lying next to the edge 28a, but the electrode 32 is connected to the high-resistance resistor 34, the rear end of which is earthed via the flexible shaft 18. The exposed tip of the electrode 32 is located in the electrostatic field between the edge 28a and the object 61 at a location which without the electrode 32 would have a potential of approximately 70 kV. If the electrode 32 were not connected via the high-ohmic resistor 34, but directly to earth, it would reduce the voltage at the edge 28a and the spray particles atomized on it would be attracted by the electrode 32 and mostly deposited on it.
However, since the electrode 32 is grounded via a high-ohmic resistor 34 of the order of 1500 megohms, the tip of the electrode 32 is kept at a particle-attracting potential of the order of 30 kV, which causes spray mist particles to be released by the attraction of the electrode 32 be deflected inward, but this attractive force is not so strong that a significant number of spray particles are deposited on the electrode or its insulating sheath 22.
A considerable number of spray particles are thus deflected inwards from their normal path in the annular spray and, as shown in FIG. 8, enter the normally empty central zone of the spray, so that this is completely or at least largely filled with spray particles. In addition, the outer boundaries of the application pattern can be reduced and the spray mist can be denser. All of these results contribute to the fact that a more advantageous application of paint is achieved on the earthed object.
With the device described above, using an atomizer of 102 mm diameter, when the front end of the spray gun was held at a distance of about 30 cm from a grounded flat metal sheet, an application pattern approximately of the shape shown in FIG. 8 was obtained thereon. The application patterns shown in Figs. 7 and 8 were obtained when the gun was fed with about 100 cm3 of red synthetic resin stoving enamel per minute which had been diluted with xylene. By
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empty central zone is more or less filled.
The invention aims to reduce the size of the empty central zone of an annular spray, but allows other advantages as well. These include fine atomization of the liquid coating material at lower operating voltages and, in some cases, increased uniformity of the deposition of spray particles on sharp projecting edges and in recessed areas of objects.
In spray-mist coating systems, in which the liquid is mainly atomized by electrostatic forces, it has been shown that, under otherwise constant conditions, there is an upper and a lower limit for the voltage which is necessary for atomization with optimal fineness. This so-called optimal voltage increases quite sharply with the distance between the atomizer and the object to be coated.
In processes in which the coating is carried out with the aid of a conveyor
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is felt, this dependence of the optimal voltage on the distance of the atomizer requires precise control of the distance between the atomizer and the object.
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mm between the bell and the object to be coated, the optimum atomization of the liquid was achieved when the bell had a potential of 70 kV. With a bell spacing of 305 mm, 100 kV were required for optimal atomization and 125 kV with a bell spacing of 457 mm.
If, on the other hand, a central probe was used with the same atomizer bell, which was held at an intermediate potential of the order of magnitude described above, a distance of
152 mm between bell and object only 65 kV, with a bell distance of 305 mm only 75 kV and with a bell distance of 457 mm only 95 kV required for optimal atomization. The bell edge stresses given above were obtained from direct measurements. determined.
Given other conditions, the invention thus enables the use of a lower voltage and thus of less expensive voltage sources. In addition, changes in the
The distance between the atomizer and the object has a smaller effect on the quality of the atomization than with the known systems. The invention is not limited to a hand atomizer, since the reduction in size of the empty central zone of the annular application pattern achieved according to the invention is of course not only advantageous for hand spraying, but also for an automatically operating stationary atomizer.
Fig. 6 shows a further embodiment of the invention. The spray gun 70 has the same shape and size as the gun 10 described above. The gun 70 has a rotatable, bell-shaped atomizer 71, the atomizing edge 71a of which is supplied with liquid via a charging system which corresponds to the charging system of the gun 10. A high voltage is applied to the edge 71a by a high-voltage source 73 via the line 74, the high-ohmic resistor 75 (e.g. 500 megohms), the spring 76 and the resistance layer 71c on the outer surface of the atomizer 71.
An electrode 78 arranged coaxially with the atomizer 71, with the exception of its tip arranged at the front, is completely enclosed by a shaft 79 made of insulating material. The exposed tip of the electrode lies approximately 76 mm in front of the edge 71a. When the electrode is connected to the high-voltage source, the tip of the electrode 78 is preferably not hemispherical, but rather tapered to a point.
Similar to the shaft 22, the shaft 79 rotates the atomizer 71 and is driven by a motor 82 via a flexible shaft 81.
Via an electrical connection 83 from the resistor 75 to the front end of the shaft 81, the latter, like the motor 82, is connected to high voltage. The electrode 78 is also connected to high voltage via the connection 83 and a further high-value resistor 85 (e.g. 5000 megohms). In this circuit, by appropriate selection of the values of the resistors 75 and 85, the electrode 78 can be kept at any desired potential, which lies between that of the high-voltage source 73 and earth, so that the potential of the electrode does not through as in the circuit according to FIG the distance of the electrode from the atomizer edge and the value of a resistor connected between the electrode and earth is determined.
9 to 11 show another embodiment of the invention on the basis of a hand spray gun 110. This has an insulating housing 111 and a metal handle 112. At the rear end of the gun 110 are a flexible high-voltage line 114, a low-voltage line 115 and a supply line 116 for liquid connected. These three lines are enclosed by a protective sheath 118.
The high-voltage line 114 consists of an insulated metal wire which is protected by an insulating tube 119. High voltage from a voltage source 120 is applied to the spray gun via line 114. The leading end of the lead is connected to a high impedance resistor 122 which is on the order of 1000 megohms and the leading end of which is connected to a wire 124 which is in frictional contact with a resistive layer 125a on the exterior of the atomizer 125.
The resistive layer 125a is preferably made of a glyptalalkyd resin intimately mixed with a predetermined amount of finely divided carbon. If this thermosetting compound is applied to an insulating base and fired, a layer is obtained that is highly resistant to the chemical and physical effects of the components of the liquid coating materials commonly used and with relatively constant electrical properties, so that an instantaneous discharge of stored in the layer electrical energy is impossible.
The rotary drive of the atomizer 125 is carried out by a small electric motor 126 arranged in the housing 111. This is supplied with power via the low-voltage line 115 and is via the
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Handle 112 grounded. The motor is controlled by an on / off switch 128, and its shaft is in driving connection with a hollow shaft 130, at the front end of which a hub 131 is mounted. The
The hub 131 is concentrically surrounded by the atomizer 125, which is held at a distance from the hub by a plurality of pins 133, so that an annular opening 135 remains free between the outer edge of the hub and the inner surface 125b of the atomizer that carries the liquid. The surface 125b runs into a protruding one
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consist of nylon or the like.
With the engine 126 running, the atomizer 125 rotates concentrically about the
Axis of shaft 130, preferably with a speed of the order of 600 rev / min.
The liquid coating material is supplied via the supply line 116. A trigger 136 controls the flow of liquid from the line 116 via a channel provided in the gun 110.
A nozzle (not shown) protruding from the front end of the housing 111 emits a flow of liquid onto the inner surface 125b of the atomizer 125, so that the liquid spreads to form a thin film which flows through the annular opening 135 to the atomizer edge 125c.
A concave disk 138 made of nylon or the like is mounted on the front of the hub 131. The disc 138 preferably has a cylindrical edge portion 138a with relatively sharp edges arranged just behind the atomizer edge and adjacent to it. The entire disk 138 is covered on the front and rear with a coating 138b of semiconductor material, which preferably has the same composition as that used in the resistive layer 125a. The disk 138 is electrically connected via the spring 142 and a line 143 to a high-ohmic resistor 140 in the order of magnitude of 10,000 megohms, the rear end of which is connected to earth via the motor 126 and the handle 112.
In operation, the pistol 110 is held by hand at a distance from an object 145 which is at ground potential. A high voltage is applied from the voltage source 120 to the spray gun, which has a magnitude of approximately 120 kV for resistors with the specified values.
In the illustrated arrangement of the disk 138, a certain space charge current flows from the atomizer edge 125c to the disk and is diverted to earth via its connection and the resistor 140. As a result of the voltage drop across the resistor, the disk is at a potential which is between the potential of the atomizing edge and earth.
(Compared to the resistance of resistor 140, that of layer 138b is so small that it can be neglected in most cases.) As a result of the disk 138 being at an intermediate potential, the electric field in close proximity to the atomizing edge 125c is essentially inwardly directed Radial component, so that spray particles are moved towards the center of the spray substantially simultaneously with their atomization and emission from the body of liquid. The probe action reduces the external dimensions of the application pattern, improves its uniformity and causes a considerable reduction in its empty central zone. However, the spray particles are not moved inward with such a force that a significant amount of the spray particles are actually deposited on the disc 138.
The deposition of spray mist particles on the disc is further prevented by the fact that the disc is concave and is arranged behind the edge 125c.
PATENT CLAIMS:
1. Device for the electrostatic coating of an object with the aid of an annular spray of liquid coating material influenced by an electrostatic field, whereby an annular precipitation pattern is created, consisting of a rotating, bell-shaped atomizer head connected to a high voltage source for delivering the spray to the earthed object to be coated and an auxiliary electrode which is used to influence the precipitation pattern, characterized in that the auxiliary electrode (32 or 78) is arranged in the central area of the atomizer head and has, in a manner known per se, a potential between the potential of the atomizer head and the earth potential.