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Feinstzerstäubungsdüse für flüssige Materialien, insbesondere für Überzugsmaterialien
Die Erfindung betrifft eine Feinstzerstäubungsdüse für flüssige Materialien, insbesondere für Überzugsmaterialien, mit einem axialen Kanal für Treibgas und einem, den Treibgaskanal umgebenden koaxialen Flüssigkeitskanal, dessen Endbereich in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet ist, wobei die Öffnung des Treibgaskanals und die ringförmige Öffnung des Flüssigkeitskanals in einer Ebene liegen.
Das wohl wirtschaftlichste Verfahren zum Überziehen einer Oberfläche mit einem flüssigen Überzugsmaterial, z. B. Lack, besteht im Aufspritzen der Flüssigkeit. Besonders gute Ergebnisse werden hierbei erzielt, wenn die Tröpfchen der zerstäubten Flüssigkeit elektrisch aufgeladen und in einem elektrostatischen Feld auf den zu beschichtenden Gegenstand transportiert und dort abgelagert werden.
Um qualitativ einwandfreie Überzüge zu erhalten, ist es erforderlich, dass die Flüssigkeit in feinste, möglichst gleich grosse Tröpfchen zerstäubt wird. Praktisch stösst dies auf erhebliche Schwierigkeiten, vorwiegend wenn Lacke grosser Zähigkeit, wie z. B. Acrylharze, zerstäubt werden sollen. Zum Zerstäuben von Flüssigkeiten für derlei Zwecke sind deshalb die verschiedensten Verfahren herangezogen worden, wie Zerstäuben der Flüssigkeit mittels eines Treibgases aus Düsen, elektrostatische Zerstäubung, mechanische Zerstäubung mittels Zentrifugalkräfte usw. sowie Kombinationen dieser Verfahren. Entsprechend gross ist auch die Zahl der hierfür entwickelten Geräte.
An diese Geräte werden zusätzliche Forderungen gestellt : Sie sollen einen Sprühstrahl erzeugen, der keine überflüssige Nebelbildung aufweist, so dass der Materialverlust möglichst niedrig ist ; beim Sprühstrahl soll keine Rückführung auftreten, d. h. alle aus der Zerstäubungsvorrichtung austretenden Materialpartikel sollen von dieser wegfliegen und nicht ihre Bewegungsrichtung umkehren und zurück in Richtung der Zerstäubungsvorrichtung fliegen, auch beim ersten Einsetzen der Zerstäubung nicht ; und schliesslich soll der Sprühstrahl elektrostatisch gut lenkbar sein, wenn im elektrostatischen Feld aufgesprüht wird. Bei mit Treibgas, z. B.
Pressluft, betriebenen Zerstäubungsdüsen kommt hinzu, dass diese mit einem Minimum an Pressluftverbrauch arbeiten sollen.
Um diesen Forderungen mit den an sich handlichen, einfachen und billigen Treibgasdüsen nachzukommen, sind etliche Anstrengungen unternommen worden. Restlos befriedigende Ergebnisse sind bisher jedoch nicht erzielt worden. Von den zahlreichen Veröffentlichungen über Zerstäubungsdüsen sollen hier drei näher beschrieben werden, die im Hinblick auf die Erfindung interessant erscheinen.
In der einen wird ein Spritzapparat zum Spritzen von dickflüssigen Materialien beschrieben. Dieser Apparat weist einen Düsenkopf mit drei konzentrischen Austrittsöffnungen auf, von welchen die innere und die äussere mit einer Druckmittelleitung und die mittlere mit der Materialleitung verbunden sind.
Mittels Absperreinrichtungen sind drei Betriebslagen einstellbar, das Druckmittel strömt nur der inneren, nur der äusseren oder sowohl der inneren als auch der äusseren Austrittsöffnung zu. Wenn das Druckmittel nur der äusseren Öffnung zuströmt, so arbeitet diese Vorrichtung wie viele der bekannten, bei welchen einem Treibgasstrahl von innen Flüssigkeit zugeführt wird. Strömt das Druckmittel nur aus der mittleren Austrittsöffnung aus, so soll, nach entsprechenden Angaben, die Zerstäubung nur gering sein. Bemerkenswert ist ferner, dass die mittlere und äussere Austrittsöffnung in einer Ebene liegen, die innere Öffnung gegenüber dieser Ebene zurückversetzt ist.
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In der andern Veröffentlichung wird ein Düsenkopf für eine Spritzpistole beschrieben, mit der sich gleichzeitig zwei Flüssigkeiten zerstäuben lassen. Dieser Düsenkopf weist im wesentlichen drei konzentrische Kanäle auf, von welchem dem inneren stets die eine Flüssigkeit und dem mittleren und äusseren, je nach Wahl die andere Flüssigkeit oder Druckmittel zugeführt wird. Die Kanalwandungen verlaufen im Austrittsbereich parallel zur Düsenachse und ihre Mündungen liegen ständig in einer Ebene. Auffällig ist, dass bei dieser Vorrichtung ausdrücklich der innere Kanal stets mit Flüssigkeit gespeist wird.
Bei einer dritten Ausführung weist die Zerstäubungsdüse einen schlanken, in Form einer Injektionskanüle ausgebildeten Kanal für die Flüssigkeit auf, der koaxial von einem Treibgaskanal umgeben ist. Der Endbereich des Treibgaskanals ist in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet, wobei die Öffnung des zentralen Flüssigkeitskanals und die ringförmige Öffnung des Treibgaskanals in einer Ebene liegen.
Es hat sich gezeigt, dass mit den vorstehend beschriebenen und ähnlichen Zerstäubungsdüsen nicht völlig befriedigende Ergebnisse erzielt werden.
Zweck der Erfindung ist, eine Zerstäubungsdüse zu schaffen, mit der sich trotz einfachsten Aufbaues, auch zähe Flüssigkeiten, wie Acrylharze, zu feinsten Tröpfchen im wesentlichen gleicher Grösse mit einem Minimum an Treibgasverbrauch zerstäuben lassen, wobei der erzeugte Sprühstrahl weder eine Rückführung noch eine überflüssige Nebelbildung aufweist und darüber hinaus im elektrostatischen Feld gut lenkbar ist.
Die erfindungsgemässe Feinstzerstäubungsdüse ist dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich des Treibgaskanals sich zur Austrittsöffnung hin unter einem Öffnungswinkel kegelförmig verjüngend als ultraschallerzeugende Düse ausgebildet ist und der Endbereich des kegelstumpfförmigen Flüssigkeitkanals einen grösseren Öffnungswinkel als der Treibgaskanal aufweist.
Die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemässen Feinstzerstäubungsdüse werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in der Fig. l einen Längsschnitt durch eine stark vergrösserte Zerstäubungsdüse darstellt, Fig. 2 die Düse der Fig. 1 in Ansicht von vorne zeigt und Fig. 3 einen Schnitt durch eine beispielsweise praktische Ausführung einer Zerstäuberdüse in Anwendung bei Spritzpistolen wiedergibt.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, besteht die erfindungsgemässe Zerstäubungsdüse aus einer zentralen TreibgasdUse 1, die von einer Flüssigkeitsdüse 2 umgeben ist.
Die Treibgasdüse 1 ist erfindungsgemäss eine ultraschallerzeugende Gasdüse einer Bauart, wie sie an sich häufig bei Ultraschalldüsen auftritt, d. h. sie besteht aus einem Gaskanal 3 für die Zuführung des Treibgases, der sich zum Austrittsende 4 hin kegelförmig verjüngt und in einer kleinen, von der spitz zulaufenden Düsenwandung scharfkantig begrenzten Austrittsöffnung 5 ausläuft. Der Durchmesser der Gasdüsenöffnung 5 liegt in der Grössenordnung von 0, 3 mm. Der Öffnungswinkel des sich verjüngenden Kanalendes 4 ist in Fig. 1 mit a bezeichnet. Spezielle Angaben für die Konstruktion solcher Ultraschalldüsen sind in jeder Fachliteratur enthalten. Beim Betrieb der Düse tritt aus der Düsenöffnung 5 ein Gasstrahl aus, in dem eine periodische Druckverteilung ausbildet.
Die Druckverteilung kann als gedämpfte Schwingung dargestellt werden, deren Frequenz im Ultraschallbereich liegt. Es ist einleuchtend, dass zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels eines solchen Gasstromes im wesentichen nur der Bereich der ersten Instabilitätsstelle beitragen wird, da an dieser Stelle die grössten, Druckunterschiede vorhanden sind. Diese Instabilitätsstelle liegt in unmittelbarer Nähe vor der Austrittsöffnung, die genaue Entfernung ist von etlichen Parametern, im wesentlichen jedoch von der Geschwindigkeit des austretenden Gasstromes abhängig und beträgt z. B. nur rund 3 mm.
An diesen Instabilitätsbereich muss die zu zerstäubende Flüssigkeit herangeführt und an den Gasstrahl so "ange- koppelt" werden, dass in ihr vor allem Kavitationseffekte auftreten, welche die Zerstäubung bewirken, Neben dieser "Ankoppelung" tritt als weiteres Problem die stetige Zufuhr von Flüssigkeit an die Instabilitätsstelle auf, die so geregelt sein muss, dass immer alle zugeführte Flüssigkeit in möglichst gleich grosse feinste Tröpfchen zerstäubt wird.
Der Flüssigkeitszufuhr dient eine Flüssigkeitsdüse 2. Die Flüssigkeitsdüse 2 ist erfindungsgemäss koaxial zur Treibgasdüse 1 angeordnet und definiert einen Flüssigkeitskanal 8 mitringförmigem Querschnitt, der sich zur Austrittsöffnung hin verjüngt und sich ausserdem so einschnürt, dass die äussere Mantelfläche 9 des Flüssigkeitskanals 8 in einem Bereich vor der Austrittsöffnung einen Kegelmantel bildet, dessen Öffnungswinkel in Fig. l mit ss bezeichnet ist. Die innere Mantelfläche des Flüssigkeitskanals wird in an sich bekannter Weise durch die Aussenfläche der inneren Düse, in diesem Fall also der Treibgasdüse 1 gebildet. Die Austrittsöffnung 7 des Flüssigkeitskanals 8 ist ringförmig und umschliesst konzentrisch die Austrittsöffnung 5 des Treibgaskanals 3.
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Durch diese erfindungsgemässe Ausbildung der Flüssigkeitsdüse 2 soll sowohl eine Ankoppelung des Flüssigkeitsstrahles an die erste Instabilitätsstelle des Treibgasstrahles als auch eine richtige stetige Nachlieferung von Flüssigkeit erzielt werden.
"Zerstäubungsaktiv"ist lediglich die Randzone des Treibgasstrahles. Um die Flüssigkeit mit dieser Randzone in Berührung zu bringen, ist die ringförmige Ausbildung der Austrittsöffnung für die Flüssigkeit allein noch nicht ausreichend.
Wichtig ist die gegenseitige Lage der Austrittsöffnungen zueinander. Die Austrittsöffnung der Flüssigkeitsdüse kann gegenüber der Austrittsöffnung der Treibgasdüse etwas zurückversetzt sein. Die Grösse dieser Rückversetzung ist jedoch äusserst kritisch, sie ist unter andern abhängig von der Zähigkeit der Flüssigkeit, von der Ultraschallfrequenz usw. und bewegt sich in der Grössenordnung von einigen Zehntel Millimetern. Beide Austrittsöffnungen werden in eine Ebene gelegt, wobei die Ebene zumindest annähernd senkrecht zur Düsenachse ausgerichtet ist.
Damit wird nicht nur eine andernfalls erforderliche sehr genaue Einstellung der Austrittsöffnungen vermieden, sondern auch erreicht, dass die Zerstäubungsdüse hinsichtlich des Heranbringens der zu zerstäubenden Flüssigkeit an die Randzone des Treibgasstrahles im wesentlichen von der Frequenz und von der Zähigkeit der Flüssigkeit unabhängig wird.
Zur Förderung der Flüssigkeit wird in an sich bekannter Weise der in nächster Nähe ausserhalb solcher Düsen bei ausströmendem Treibgas auftretende Sog ausgenützt. Die sekundlich geförderte Flüssigkeitsmenge muss der Zerstäubungsleistung der Düse angepasst sein. Die Stärke des Sogs, die Zähigkeit der Flüssigkeit sowie die Grösse der Austrittsöffnung sind hiebei entscheidend. Es hat sich gezeigt, dass vollständig befriedigende Ergebnisse erzielt werden, wenn die Breite a der ringförmigen Düsen- öffnung 7 und das Verhältnis des Öffnungswinkels a der Treibgasdüse zum Öffnungswinkel ss der Flüssigkeitsdüse richtig gewählt werden.
Die Breite a der ringförmigen Düsenöffnung 7 ist von der Oberflächenspannung der zu zerstäubenden Flüssigkeit und vonder geometrischenAusbildung derFlüssig- keitsdüse abhängig und soll erfindungsgemäss so gewählt werden, dass unter normalen Umweltsbedingungen (Druck, Temperatur usw..) keine Tropfenbildung auftritt, d. h. die Flüssigkeit ohne Sog nicht selbstständig austritt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Breite a der ringförmigen Austrittsöffnung 7
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2 sospannung der zu zerstäubenden Flüssigkeit und P der an der Austrittsöffnung 7 der mit Flüssigkeit gefüllten und in horizontaler Lage befindlichenFlüssigkeitsdüse auftretende mittlere hydrostatische Druck ist.
Da auf diese Kapillaritätseffekte auch die Eigenschaften der den Flüssigkeitskanal bildenden Oberflächen, ob für die Flüssigkeit benetzend oder nicht benetzend, von Einfluss ist, kann durch entsprechende Materialwahl auch die Breite a der Ringdüse beeinflusst werden.
Für den Öffnungswinkel ss der Flüssigkeitsdüse ist nach der Erfindung ein oberer Grenzwert von rund 1500 festgelegt. Das Verhältnis des Öffnungswinkels der Treibgasdüse zu dem der Flüssigkeitsdüse soll erfindungsgemäss 1 : 2 - 1 : 2, 5 betragen.
Fig. 3 zeigt als praktisches Ausführungsbeispiel im Schnitt eine nach vorstehend beschriebenen Gesichtspunkten konstruierte Zerstäubungsdüse für eine elektrostatische Handspritzpistole.
Wie bei Handspritzpistolen im allgemeinen üblich, weist der laufähnliche Pistolenkörper 10 Kanäle 11 und 12 für die Zufuhr von Treibgas und Lack zur Zerstäubungsdüse 14 auf. Bei elektro- statischen Spritzpistolen ist zusätzlich ein Hochspannungskabel 13 für den Anschluss der Düse an ein Hochspannungsgerät vorgesehen.
IndasvordereEndedesPistolenkörpers 10 isteinDüsen-Trägerteil 15 eingesetzt, der rotationssymmetrisch mit einer axialen Schnittfläche ausgebildet ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Durch den Trägerteil 15 führt eine axiale Bohrung 11', die mit dem Treibgaskanal 11 in Verbindung steht. Nach vorne zu mündet die Bohrung 11'in einer zylindrischen Ausnehmung, die an der Stirnfläche des Trägerteiles zu einer Ringnut 16 erweitert ist. Die Treibgasdüse 17 ist in einem zylindrischen Passkörper 18 befestigt, der in die Ausnehmung eingeschoben ist, so dass er nach vorne über den Trägerteil 15 vorsteht und mit der Ringnut 16 einen Ringkanal für die Flüssigkeit bildet.
Der Ringkanal ist über eine seitliche Bohrung 12'im Trägerteil 15 mit dem Flüssigkeitskanal 12 im Pistolenkörper 10 verbunden. Über eine Treibgasdüse 17 ist eine Kappe 19 geschoben, deren zentraler Teil als Flüssigkeitsdüse 20 ausgebildet ist. Zwischen Düsen -Trägerteil 15 und Kappe 19 ist ein Dichtungsring 21 angeordnet. Der Dichtungsring 21 weist einen Flansch zum zentrierten Aufstecken der Kappe 19 auf. Die Kappe 19 ist mit einem vorstehenden Rand versehen, auf welcher die Schulter einer am Trägerteil 15 aufschraubbaren und die Kappe 19 übergreifenden Über-
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wurfmutter 22 aufruht.
Die Kappe 19 ist auf der den vorstehenden Rand aufweisenden Stirnseite eingesenkt, so dass bei zusammengebauten Düsenkopf 14 zwischen der Kappeninnenfläche und der Stirnfläche des Passkörpers 18 ein freier Raum 23 erhalten bleibt, der auf der einen Seite mit dem Ringkanal 16 und auf der andern Seite mit dem Kanal der Flüssigkeitsdüse 20 in Verbindung steht.
Der Dichtungsring 21 und der Passkörper 18 können zusammen als ein Stück ausgebildet sein, wobei dann der Ringkanal 16 über Bohrungen 24 mit dem Raum 23 verbunden ist. Das Hochspannungskabel 13 ist vorteilhaft am Düsen-Trägerteil 15 angeschlossen. Zwischen Passkörper 18 und Trägerteil 15 ist ferner noch ein Dichtungsring 25, z. B. aus Teflon, angeordnet, welcher den Flüssigkeitskanal 16 von den Treibgaskanälen abdichtet.
Eine solche oder ähnliche Ausführung der erfindungsgemässen Zerstäubungsdüse bringt verschiedene Vorteile mit sich.
So können mehrere gleiche Passkörper 18 mit verschieden ausgebildeten Treibgasdüsen 17 und ebenso mehrere Kappen 19 mit verschieden ausgebildeten Flüssigkeitsdüsen 20 vorgesehen werden, aus denen jeweils die für die gerade zu zerstäubende Flüssigkeit am besten geeignete Kombination ausgewählt und vermittels der Überwurfmutter 22 schnell und einfach am Trägerteil 15 befestigt werden kann.
Die Zentrierung der Düsenkanäle für Treibgas und Flüssigkeit, die Zentrierung der Austrittsöffnungen dieser Kanäle sowie das Ausrichten dieser Austrittsöffnungen in einer Ebene ergibt sich hiebei von selbst und bedarf keinerlei Nachjustierung. Ein weiterer erheblicher Vorteil ist die sehr geringe (elektrostatische) Kapazität des Düsenkopfes.
Durch diese geringe Kapazität ist die Gefahr des"Funkenziehens"weitgehendst unterdrückt, so dass zusätzliche Vorkehrungen zur Vermeidung dieser Erscheinungen beim praktischen Betrieb der erfindungsgemässen Düsen nicht mehr unbedingt erforderlich sind.
Zum Betrieb der Zerstäubungsdüsen wird normalerweise Pressluft verwendet, die unter einem Überdruck von z. B. 0, 9 atü aus der Öffnung der Treibgasdüse ausströmt.
Wie zahlreiche Versuche mit Zerstäubungsdüsen der vorstehend beschriebenen Art gezeigt haben, können mit ihnen auch sehr zähe Flüssigkeiten, wie Acrylharze zu feinsten Tröpfchen im wesentlichen gleicher Grösser mit einem Minimum an Treibgasverbrauch zerstäubt werden. Der erzeugte Sprühstrahl weist weder eine Rückführung noch eine überflüssige Nebelbildung auf und ist im elektrostatischen Feld gut lenkbar. Die Zerstäubungsdüse ist einfach im Aufbau, daher billig herzustellen und leicht zu reinigen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Feinstzerstäubungsdüse für flüssige Materialien, insbesondere für Überzugsmaterialien, mit einem axialen Kanal für Treibgas und einem, den Treibgaskanal umgebenden koaxialen Flüssigkeitkanal, dessen Endbereich in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet ist, wobei die Öffnung des Treibgaskanals und die ringförmige Öffnung des Flüssigkeitskanals in einer Ebene liegen, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Endbereich (4) des Treibgaskanals (3) sich zur Austrittsöffnung (5) hin unter einem Öffnungswinkel kegelförmig verjüngend als ultraschallerzeugende Düse (1) ausgebildet ist und der Endbereich (6) des kegelstumpfförmigen Flüssigkeitskanals einen grösseren Öffnungswinkel als der Treibgaskanal aufweist.