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Verfahren und Einrichtung zum elektrostatischen Niederschlagen eines versprühbaren Überzugsmaterials auf einen Gegenstand
DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektrostatischen Niederschlagen eines versprühbaren Überzugsmaterials auf einen Gegenstand..
Es ist bekannt, flüssiges Überzugsmaterial, z. B. Lack (mit oder ohne Verwendung von Druckluft) mittels einerDüse zu versprühen und dietröpfchen des so gebildeten Nebels mittels eines, z. B. zwischen derSprühdüse (oder einer benachbarten, separaten Elektrode) und dem Gegenstand (oder einer benachbarten separaten Elektrode) geschaffenen elektrostatischen Feldes zum Gegenstand zu transportieren. Ein bekannter Nachteil dieses Verfahrens ist die schlechte Lenkbarkeit der relativ hohe kinetische Energie aufweisenden Partikel und die meist zu enge Bündelung des Sprühstrahles.
Anderseits ist es bekannt, die Über- zugsflüssigkeit unter Bildung eines dünnen Films einer Kantensprüheiniiehtung zuzuführen und durch Zentrifugalkräfte und/oder elektrostatische Kräfte von der Filmkante abzusprühen und mittels des zwischen dem Sprühteil und dem Gegenstand (oder einer benachbarten separaten Elektrode) dem letzteren zuzuführen. Dieses Verfahren ergibt meist einen an sich gut verteilten Nebel. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt aber wohl darin, dass die pro Zeiteinheit versprühbare Menge weitgehend von der Film- bzw.
Filmkantengrösse abhängt, so dass diesbezüglich keine grosse Variationsmöglichkeit besteht. In beiden bekannten Fällen macht die Lenkung der Nebeltröpfchen durch das elektrostatische Feld entweder wegen zu grosser kinetischer Energie oder wegen zu grosser Feinheit dieser Tröpfchen Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Schwierigkeiten. Dies wird nach dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass die feinen Partikel eines Sprühstrahles mindestens zum Teil wieder zu grösseren Partikel zusammengeführt und dabei gebremst werden, worauf die Partikel wieder beschleunigt und in an sich bekannter Weise durch elektrostatische Kräfte zum Gegenstand transportiert werden.
Da die Bildung der zum Gegenstand hin zu transportierenden Partikel wenigstens zum Teil aus bereits in einemPartikelstrahl vorhandenen Partikeln erfolgt, liegt diese Erzeugungsstelle zwangsläufig in einem gewissen Abstand vom Strahlursprung, wo der Strahl somit bereits einen relativ grossen Querschnittbe- sitzt, so dass beim anschliessenden Beschleunigen der vergrösserten Partikel gegen den Gegenstand hin eine relativ grossflächige Verteilung des Überzugsmaterials auf dem Gegenstand erreichbar ist.
Die durch Zusammenfügen der kleinen Strahlpartikel erzielten Partikel besitzen eine ausreichende Masse, um elektrostatisch genügend beeinflussbar zu sein und brauchen mechanisch nicht stärker beschleunigt werden, als dies für ihren Transport zum Gegenstand nötig ist, so dass die die Wirkzone verlassenden Partikel sich einwandfrei durch das elektrostatische Feld lenken lassen.
Zur Durchführung des genannten Verfahrens ist die erfindungsgemässe Einrichtung, die eine Zerstäubereinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlbereich des Zerstäuberkopfes eine mit einem Potential versehene, koaxial zu dem Zerstäuberkopf in Rotation versetzbare und im Sprühstrahlkegel ein mechanisches und elektrostatisches Wirbelfeld erzeugende Bremselektrode vorgesehen ist, die Zwischenräume belassende Prallteile aufweist.
Die Zerstäubereinrichtung ist z. B. eine Düse, der das Überzugsmaterial unter hohem Eigendruck oder
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einige Ausführungsbeispiele von Pralldrähten im Querschnitt, Fig. 6 im Axialschnitt eine gitterförmige Bremselektrode, Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Axialschnitt und Fig. 8 einige Beispiele der Potentialwahl an den Elektroden der Einrichtung.
Die Einrichtung gemäss Fig. 1 besitzt eine Zerstäuberdüse 1, die an ein Lackzuführrohr 2 angeschlossen ist, das einer Draht-Bremselektrode 3 als Lager dient. Diese Bremselektrode 3 besitzt eine Mehrzahl von in radialem Abstand voneinander angeordneten, zur Zerstäuberachse a (Strahlrichtung) koaxialen Drahtringen 4, die in einer zur Achse a senkrechten Ebene liegen. Diese Drahtringe 4 sind durch Radialstege 5 miteinander verbunden und bilden eine Einheit von Prallteilen, die mittels annähernd achsparalleler Arme 6 mit einer auf dem Rohr 2 sitzenden Nabe 7 verbunden ist.
Diese Bremselektrode 3 ist durch nicht gezeichnete Antriebsmittel gegenüber der feststehenden Düse 1 rotierend antreibbar und ausserdem kann ihr axialer Abstand von der Zerstäuberdüse'l ver- ändert werden : in Fig. 1 ist die Bremselektrode mit ausgezogenen Linien in einer düsenfernen Stellung gezeichnet, wogegen mit strichpunktierten Linien eine düsennahe Stellung angedeutet ist. Die metallischen Prallteile 4,5 dienen als Hilfselektroden zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes zwischen Bremselektrode 3 und Gegenstand (nicht gezeichnet), wobei die Arme 6 z. B. aus Isoliermaterial bestehen können. Anstatt durch einzelne Arme 6 kann die durch die Prallteile 4,5 gebildete Einheit auch durch eine zylindrische oder kegelförmige Wand mit der Nabe 7 verbunden sein.
Mit dieser Einrichtung lässt sich folgendes Verfahren durchführen : Beim Betrieb der Einrichtung wird zwischen dem zu überziehenden Gegenstand und der Bremselektrode ein Hochspannungsfeld erzeugt : dazu kann Gleichspannung, pulsierende Gleichspannung, einseitig unterdrückte Wechselspannung oderunsymmetrische Wechselspannung verwendet werden. In Fig. 8 sind einige Beispiele a)-f) für die Wahl der verschiedenen Potentiallagen Ui. us undue von Zerstäuberkopf, Bremselektrode und Gegenstand dargestellt. So kann z. B. analog Beispiel a) an die Zerstäuberdüse eine negative Spannung von z. B. 50 KV, an der Bremselektrode eine grössere negative Spannung von z. B. 70 KV und an den Gegenstand Erdpotential angelegt werden.
Bei einem andern, besonders zweckmässigen Beispiel (nach Fig. Sb) kann an die Zerstäuberdüse ein negatives Potential von zuweilen 28 KV und an der Bremselektrode ein kleineres negatives Potential von z. B. 14 KV angelegt werden, während der Gegenstand geerdet wird. Einige weitere Möglichkeiten der Wahl der Potentiallagen ergeben sich ohne weiteres aus den Fig. 8c-8f. Durch das Rohr 2
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reits einen relativ grossen Querschnitt aufweisen.
Durch Rotation der erfindungsgemässen Bremselektrode entsteht eine Relativbewegung zwischen den Prallteilen der Bremselektrode und der umgebenden Atmosphäre, so dass sich um jeden einzelnen Prallteil Staudruckzonen und nachfolgende differentielle Wirbelfelder ausbilden, die während der Elektrodenbewegung nie zur Ruhe kommen und das von der Bremselektrode überstrichene Gebiet dicht ausfüllen. Die Tiefe dieser Wirbelzone ist jedoch nicht wesentlich grösser, als die Breite der Prallteile und natürlich von ihrer Form, Anordnung, Zahl und Geschwindigkeit abhängig.
Auf diese, aus sehr zahlreichen kleinsten Wirbeln, Stauzonen und aus den festen Prallteilen gebildete Wirkebene treffen die von der Düse mit hoher Geschwindigkeit ausgestossenen und praktisch geradlinig fliegenden Partikel des Überzugsmaterials. Obgleich die hiebei stattfindenden Vorgänge in ihren Einzelheiten kaum exakt darstellbar sind, ist leicht einzusehen, dass vor allem die an kinetischer Energie Åarmsten Partikel aus ihrer geraden Bahn abgelenkt werden und eine Komponente senkrecht zur Strahlenachse erhalten.
Die Folge davon sind wieder Zusammenstösse mit andern Partikeln, wodurch sich aus kleineren Partikeln grössere bilden und im allgemeinen eine Reduktion der Partikelgeschwindigkeit stattfindet, so dass die nunmehr langsameren und grösseren Partikel durch das elektrische Feld leichter beeinflussbar sind. Ein sehr geringer Teil der mit hoher kinetischer Energie gegen die Bremselektrode fliegenden Partikel, z. B. Lacktröpfchen, gelangt durch die Staudruckzonen und trifft auch auf die Prallteile 4,5 und schlägt sich an den letzteren nieder.
Dadurch sammelt sich nach und nach eine grössere Zahl kleinster Tröpfchen in Form eines Belages auf den Prallteilen an ; wegen der Rotation der Bremselektrode hat dieser Belag die Tendenz, in Form relativ gro- sser Tröpfchen tangential abgeschleudert zu werden, sobald sich genügend Flüssigkeit auf der Drahtober-
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sprünglichenStrahltröpfchen, unterseits mechanisch (Fliehkräfte) und anderseits durch das zwischenBremselektrode 3 und Gegenstand gebildete elektrostatische Feld, wie bei X in Fig. 1 angedeutet, wieder beschleunigt und gegen den Gegenstand hin transportiert werden.
Allerdings kann experimentell und auch durch Überschlagsrechnung nachgewiesen werden, dass die Menge des auf letztere Art zerstäubten Überzugsmaterials nur rund 20/0 des gesamten Materials ausmacht, so dass diesem Vorgang praktisch keine Bedeutung zukommt und er nur behandelt wurde, um die beim Versprühen stattfindenden Vorgänge möglichst vollständig wiederzugeben.
Auf jeden Fall besitzen demnach viele der die Wirkzone verlassenden Partikel unmittelbar hinter der Bremselektrode noch eine relativ grosse radialeGeschwindigkeitskomponente und bewegen sich somit auch quer zur Strahlrichtung der Düse. Da die Wirkebene aus atmosphärischen Wirbeln und Stauzonen gebildet ist, reicht ihr Einfluss nicht aus, um die gerichtete Bewegung der Partikel vollständig in Unordnung zu bringen, so dass die Strahlrichtung auch nach Durchlaufen del Wirkzone im wesentlichen erhalten bleibt.
Diese durch die Wirkzone hindurchfliegenden primären Partikel des ursprünglichen Düsenstrahles, deren Fluglinie geradliniger ist als jene der sekundären, von der Bremselektrode 3 wegfliegenden Partikel und deren Geschwindigkeit ausserdem grösser ist als jene dieser sekundären Partikel, stossen in der Folge unmittelbar hinter der Bremselektrode mindestens zum Teil mit solchen sekundären in Querrichtung etwas abgelenkten Partikeln zusammen, was wieder zur Bildung grösserer Partikel beiträgt. Durch diese Zusammenstösse wird auch die Geschwindigkeit des sich neu bildenden Partikels gegenüber jener der primären Partikel etwas gebremst, so dass die Lenkbarkeit der hinter der Bremselektrode vorhandenen Partikel durch das zwischen Bremselektrode und Gegenstand vorhandene elektrostatische Feld verbessert wird.
Damit ist gewährleistet, dass der durch das Feld von der Bremselektrode zum Gegenstand hin beschleunigte bzw. transportierte Partikelnebel nicht seitlich am Gegenstand vorbeifliegt, sondern praktisch vollständig zum Überziehen des Gegenstandes ausgenutzt wird. Handelt es sich um einen'Gegenstand mit Kavitäten, so werden die letzteren in Flucht mit der Düsenachse gebracht, während die Bremselektrode in ihre in Fig. l mit strichpunktiertenLinien angedeutete Lage verschoben wird.
Dadurch wird erreicht, dass nur die Randpartien des Sprühstrahles auf Prallteile der Bremselektrode 3 auftreffen können und eine entsprechend flächenhafte Verteilung von sekundären Partikeln ergeben, wogegen der Kern des Sprühstrahles unbehindert durch die Bremselektrode durchtritt und zufolge seiner guten Tiefenwirkung ein einwandfreies Überziehen der Kavitätenwand bewirkt.
Es können weiterhin spezielle Einrichtungen zur elektrischen Beladung der Sprühstrahlpartikel vorgesehen sein, so dass deren Lenkbarkeit durch das elektrostatische Feld verbessert wird : insbesondere führt dies zu einer gewissen Aufspreizung des die Düse 1 verlassenden primären Sprühstrahles, wie dies z. B. in Fig. 2 angedeutet ist. Dort ist die Düse la von einem Kranz von strahlabwärts gerichteten Spitzenelektroden 8 umgeben, die an Hochspannung gelegt sind und z. B. durch Corona-Wirkung der Tröpfchenbeladung dienende Ionen erzeugen. An Stelle solcher unter Spannung stehender Spitzenelektroden 8 können auch radioaktive Präparate (ct-oder ss-Strahler) vorgesehen sein.
Im übrigen sind Aufbau und Wirkungsweise dieses Beispiels gleich der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
Bei den vorgehend beschriebenen Beispielen besitzt die Bremselektrode nur einen Satz von in einer zur Zerstäuberachse a senkrechten Ebene liegenden Prallteilen 4,5. Die zusammenfügende Wirkung kann aber unter Umständen noch erhöht werden, wenn die Prallteile in verschiedenen mit axialem Abstand hintereinander angeordneten Ebenen vorgesehen werden. Dies ist beispielsweise bei der in Fig. 3 gezeigten Bremselektrode 3 der Fall. Dort sind koaxial zum Ringgebilde 4,5 noch zwei zusätzlicheDrahtringe 4a vorgesehen, die auf einem Kegelmantel mit gegen die Düse l gerichteter Spitze liegen und durch Drähte 5a unter sich und mit dem innersten Ring 4 des Ringgebildes 4,5 verbunden sind.
Die zusätzlichen, der Düse 1 näher liegenden Ringe 4a bewirken ein frühzeitiges Auffangen eines relativ grossen Anteils der primären Partikel des meist besonders dichten Strahlkemes.
Die Bremselektroden 3 dervorangehendbeschriebenen Ausführungen besitzen durch Radialstäbe 5 verbundene Drahtringe 4 ; es ist aber auch möglich, die geschlossenen Drahtringe 4 durch mehrere Windungen einerDrahtspirale zu ersetzen, wobei z'urschaffung von zusätzlichen, insbesondere denStrahlkern beeinflussenden Prallteile, die innersten Windungen der Drahtspirale gegen die Düse 1 hin axial aus der Spiralebene herausgezogen sein können.
Ein weiteresAusführungsbeispiel einerBremselektrode ist inFig. 4 dargestellt. DieseBremselektrode 3 besteht aus einem Kranz einzelner Drähte 9, die mit einer auf dem Rohr 2 drehbar gelagerten Nabe 7 verbunden sind. Die Drähte 9 laufen zunächst in Strahlrichtung konisch auseinander und sind dann in die Radialrichtung umgebogen ; sie enden in radialem Abstand von der Zerstäuberachse a und bilden mit ihren radialen Armen 9a einen im Zentrum offenen Stern aus Prallteilen, die in einer zur Zerstäuberachse a senkrechten Ebene liegen. Auch diese Bremselektrode 3 ist roierendantribbar
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und in Achsrichtung verstellbar. Die Wirkungsweise bzw. das mit dieser Einrichtung durchführbare Verfahren entspricht jedem der vorangehend beschriebenen Beispiele.
Die Prallteile der Bremselektroden der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele besitzen ge- mass Zeichnung runden Drahtquerschnitt, wieerin Fig. 5 bei b) angedeutet ist. Es kann aber-auch ein andererDrahtquerschnitt vorgesehen sein. So können die Drähte z. B. gemäss Fig. 5a eine in Strahlrichtung zeigende Kante 10 aufweisen oder diese Kante kann, wie in Fig. 5c gezeigt, in der Wirkebene liegen, u. zw. der in Drehrichtung der Bremselektrode nachgehenden Drahtseite. Ferner können als Prallteile stehende (Fig. 5d) oder liegende (Fig. 5e) Flachdrähte vorgesehen sein. Im Falle einer Bremselektrode nach Fig. 4 können alle oder ein Teil der radialen Prallteile auch Flügelquerschnitt (Fig. 5f) aufweisen,
Ein anderesBeispiel einerBremselektrode 3 ist in Fig. 6 dargestellt.
Hier ist an den Tragarmen 6 ein relativ weitmaschiges Gitter aus sich kreuzenden Drähten 11 vorgesehen, deren Wirkung natürlich jener der vorangehend beschriebenen Bremselektroden entspricht.
Ein letztes Beispiel ist in Fig. 7 dargestellt. Hier ist die Düse 1 von einem in nicht gezeichneter Weise rotierend antreibbaren und axial verstellbaren Konus 12 umgeben, der eine vordere Abschlussplatte 13 mit Zentralöffnung 14 aufweist. Rund um die zur Düsenachse a koaxiale Zentralöffnung 14 sind in derAbschlussplatte drei radialenAbstand voneinander aufweisendeKränze aus mit End- spitzen versehenen Drähten 15 verankert. Die in Umfangsrichtung zueinander versetzten Drähte 15 der Drahtkränze verlaufen ein Stück weit längs Zylinderflächen und sind anschliessend in zur Düsenachse a koaxiale Konusflächen gleicher Konizität nach aussen gebogen.
Der Konuswinkel der Drahtkränze ist etwas grösser gewählt als der grösste Öffnungswinkel des von der Düse 1 gelieferten Sprühstrahles, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass mindestens in einer Stellung der axial einstellbaren Bremselektrode auch die Drähte 15 des äussersten Drahtkranzes vom primären Düsenstrahl noch getrof-
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digkeit aufweisenden und sehr feinen Partikeln kann auch in diesem Fall wegen der guten Tiefenwirkung zum Beaufschlagen von Kavitäten des zu überziehenden Gegenstandes benutzt werden. Ist eine solche dichte Kernzone des zum Gegenstand gelangenden Sprühnebels nicht erwünscht, so kann in die Zentral- öffnung 14 einLeitkegel eingesetzt werden, der denKern desPrimärstrahles nach aussen auf die Bremselektrode leitet.
Mit allen beschriebenen Einrichtungen wird'erreicht, dass ein Grossteil der feinen Hochgeschwindigkeitspartikel des Primärstrahles in gleichmässiger Verteilung über den Strahlquerschnitt in langsamere, grössere Partikel übergeführt wird, die sich elektrostatisch einwandfrei lenken lassen und denen durch geeignete Wahl der Elektrodendrehzahl nur so viel kinetische Energie zugeführt werden muss, dass sie die Distanz zum Gegenstand einwandfrei überwinden können und dabei ausserdem eine bestimmte Radialkomponente erhalten, die es ihnen ermöglicht, durch die Elektrodenzwischenräumehindurchgeflogene Primärpartikel einzufangen.
Durch die beschriebenen Massnahmen wird auch verhindert, dass praktisch zusammenhängende Partikelfäden eines Primärstrahles, wie sie bei Düsenzerstäubern oft festgestellt werden können. mit hoher Geschwindigkeit auf ein und denselben Punkt der Oberfläche des zu überziehenden Gegenstandes geschleudert werden ; obwohl solche Fäden zufolge der sehr feinen Partikelbildung an derDüse selbst sehr dünn sind, führen sie zu örtlichen Materialanhäufungen und somit zu ungleichmässiger Verteilung des Überzugsmaterials auf dem Gegenstand.
In jedem Fall hat sich gezeigt, dass sich die Bildung von zum Gegenstand zu transportierenden PartikelngeeigneterGrösse und Verteilung sowie die elek- trostatische Lenkung dieser Partikel erheblich besser steuern lassen, wenn von einem Strahl feinster Hochgeschwindigkeitspartikel ausgegangen wird, als wenn, wie bei den bekannten Verfahren, z. B. mit Sprühkanten von einem zusammenhängenden Film, oder wie bei den bekannten Düsensprühverfahren, von einem kompakten der Düse zuzuführenden Hochdruckstrahl ausgegangen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum elektrostatischen Niederschlagen eines zerstäubbaren Überzugsmaterials auf einen Gegenstand mittels eines aus feinen Partikeln hoher kinetischer Energie bestehenden Sprühstrahles des
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grösseren Partikel wieder beschleunigt und in an sich bekannter Weise durch elektrostatische Kräfte zum Gegenstand transportiert werden.