Einrichtung zum elektrostatischen Niederschlagen eines pulverigen Überzugsmaterials Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elek trostatischen Niederschlagen eines pulverigen überzugs- materials auf einen Gegenstand mittels eines aus feinen, durch einen Trägergasstrom in einem Beschleunigungs rohr beschleunigten Partikeln hoher kinetischer Energie bestehenden Sprühstrahles des überzugsmaterials,
wel che als Sprühstrahl erzeugende Einrichtung einen Zer- stäuberkopf und einen im Strahlbereich des Zerstäuber kopfes mit einem Potential versehene, koaxial zum Zer- stäuberkopf in Rotation versetzbare und im Sprüh strahlkegel ein mechanisches und elektrostatisches Wir belfeld erzeugende Bremselektrode mit Zwischenräume belassenden Prallteilen aufweist.
Wie im Schweiz. Pat. Nr. 400.852 näher erläutert ist, bereitete bei den vorher bekannten elektrostatischen Niederschlagsverfahren die Lenkung der Nebeltröpf chen durch das elektrostatische Feld erhebliche Schwie rigkeiten.
Da normalerweise Körper mit verschiedensten Formen und Grössen mit einer möglichst gleichmässi- gen und glatten Schicht zu versehen, d. h. grosse und kleine, ebene und stark zerklüftete, und unter Umstän den tiefe Kavitäten und steile Vorsprünge aufweisende Oberflächen gleichmässig zu besprühen sind, kommt offenbar dieser Lenkbarkeit und auch der Ausbildung des Sprühstrahles eine entscheidende Bedeutung zu.
Je nach der Form der zu besprühenden Oberfläche wird der Sprühstrahl einen kleinen oder grossen öffnungs- winkel aufweisen und im Extremfall in eine formlose Wolke übergehen müssen, wobei aber die elektrostati sche Lenkbarkeit der Nebeltröpfchen in den meisten Fällen erhalten bleiben soll.
Nach dem vorstehend erwähnten schweizerischen Patent wird dies durch eine rotierende Bremselektrode erreicht, welche im Bereich des Sprühstrahles dem Zer- stäuberkopf vorgesetzt ist. Das aus der Zuführungsdüse ausgestossene Beschichtungs-Materialteilchen führt nämlich, ähnlich den Geschossen, eine Staudruckzone mit sich. Ebenso führen die rasch senkrecht zur Strahl- richtung bewegten Bremselektroden (Drähte) Staudruck zonen mit sich.
Bei Annäherung der Materialteilchen an die Bremselektrode stossen die Staudruckzonen auf einander, so dass einmal die Geschwindigkeitskompo nenten der sich bewegenden Materialteilchen geändert (abgebremst) werden und zum anderen Zusammenstös se der Materialteilchen untereinander stattfinden, wo durch sich kleine Teilchen zu grösseren vereinigen.
Die erste achsiale Beschleunigung der Beschichtungsmate- rialteilchen erfolgt in der Zerstäubungsdüse. Bei flüs sigem überzugsmaterial kann nun je nach Wahl der Düse die achsiale Geschwindigkeitskomponente der Ma terialteilchen vergrössert oder verkleinert werden, eben so kann durch Wahl verschiedener Fächerung des aus der Düse austretenden Sprühstrahles (Öffnungswinkel) der Winkel zwischen den Geschwindigkeitsvektoren der Materialteilchen und der Bremselektrodendrähte variiert werden,
so dass man im Ergebnis verschieden gestal tete Sprühstrahlwolken erhält, mit welchen die ver- schiedenst geformten Körper mit einer gleichmässigen und glatten Oberflächenschicht besprüht werden können.
Mit pulverigem Beschichtungsmaterial sind bei der Anwendung dieses Verfahrens bisher nicht so gute Er gebnisse erzielt worden, wie mit flüssigem überzugs- material. Dies liegt vor allem daran, dass das pulverige Beschichtungsmaterial durch ein Trägergas, meistens Luft, getragen und beschleunigt werden muss.
Zweck der Erfindung ist deshalb, eine Einrichtung anzugeben, mit welcher das im erwähnten Patent be schriebene Verfahren auch bei Verwendung von pul verigem Beschichtungsmaterial mit ähnlichen guten Er gebnissen durchgeführt werden kann, wie bei flüssigem Beschichtungsmaterial.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung zum elek trostatischen Niederschlagen eines pulverigen über- zugsmaterials wird dies dadurch erreicht, dass der Zer- stäuberkopf als Diffusor mit einem an der Strahlaus- trittsöffnung des Beschleunigungsrohres ansetzenden und sich in Strahlrichtung erweiternden Strömungs kanal ausgebildet ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 im Längsschnitt eine Einrichtung, welche zur Erzeugung von Sprühstrahlen mit mittleren öffnungs- winkeln geeignet ist; Fig. 2 im Längsschnitt eine Einrichtung von Sprüh strahlen mit extrem kleinem Öffnungswinkel und Fig.3 eine zur Erzeugung von Sprühstrahlen mit extrem grossen öffnungswinkel geeignete Einrichtung.
In diesen Zeichnungen sind nur schematisch die Teile dargestellt, welche erfindungswesentlich sind. Der übersichtlichkeit wegen ist alles Beiwerk, wie Antriebs mittel, Zuführungen usw. als selbstverständliche und durch die Erfindung nicht betroffene Massnahmen web gelassen worden.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird das einem Gasstrom zugeführte Beschichtungspulver in einem geraden Be- schleunigungsrohr 1 durch das strömende Gas beschleu nigt. Der Austrittsöffnung des Beschleunigungsrohres 1 ist ein Zerstäuberkopf 2 vorgesetzt, welcher einen Strö mungskanal 3 aufweist. Seine Länge und sein Erweite rungswinkel a sind für den öffnungswinkel des aus dem Diffusor austretenden Sprühstrahles 4 massgebend.
Will man eine Verbreiterung des aus dem Beschleuni gungsrohr 1 austretenden Sprühstrahles erzielen, so muss der Trägergas-Pulverstrom im Diffusor nur all mählich erweitert werden, damit keine Separierung von Trägergas und Pulver im Diffusorkanal stattfindet, son dern ein einigermassen homogenes Gemisch erhalten bleibt. Dies ist nur möglich, wenn der Erweiterungs winkel a klein gehalten wird. Für die Grösse des Er weiterungswinkels selbst sind natürlich die Parameter des Sprühstrahles am Austritt aus dem Beschleunigungs rohr massgebend. Druck, Gasgeschwindigkeit, Durch messer des Beschleunigungsrohres, Dichte des Sprüh strahles, sind solche Parameter.
Die Bestimmung des Erweiterungswinkels kann unter Zugrundelegung der für einen Diffusor bekannten Gesetzmässigkeiten em pirisch leicht bestimmt werden. Der aus dem Diffusor austretende Sprühstrahl passiert dann die Bremselektro den 5. Um die an den Wandungen des Strömungs kanals auftretenden störenden Randeffekte möglichst niedrig zu halten ist es vorteilhaft, wenn der Zerstäu- berkopf um die Kanalachse rotierend ausgebildet wird.
Da auch die Bremselektrode 5 um die Strahlachse ro tiert, ist dies leicht ohne zusätzlichen Aufwand durch führbar, denn es können beide Teile zu einer rotieren den Baueinheit zusammengefasst werden.
Vorteilhaft ist es, den Zerstäuberkopf zweiteilig aus zubilden, wobei der eine Teil als rotierendes Trägerteil mit einer achsialen Öffnung konstruiert ist, in welche der zweite, den Diffusorkanal darstellenden Teil einge setzt werden kann, so dass in den gleichen Kopf Dif- fusorkanäle mit verschiedenem Erweiterungswinkel ver wendet werden können. Die Diffusorkanäle können bei spielsweise aus Blech hergestellt sein, wobei der Rand 6 der grösseren Öffnung nach hinten umgebördelt ist.
Da der Erweiterungswinkel von den gegebenen Sprühstrahlparametern abhängig, und somit beschränkt ist, ist der erzielbare öffnungswinkel des aus dem Dif- fusor austretenden Strahles eine Funktion seiner Länge. Grosse Öffnungswinkel würden demnach einen langen Diffusor benötigen. Da es aus praktischen Gründen nicht immer möglich ist, lange Diffusoren zu verwen den, muss man einen Umweg einschlagen, wie dies an späterer Stelle noch ausführlich beschrieben wird.
Wie eingangs erwähnt worden ist, ist bei den elek trostatischen Sprühverfahren die Erreichung einer ex tremen Tiefenwirkung ein besonderes Problem. Um eine solche Tiefenwirkung zu erhalten, muss man danach trachten, ähnlich wie beim Airlessystem, das Beschich- tungsmaterial mit einem Minimum an begleitendem Trägergas oder Luftstrom in die Vertiefung einzufüh ren.
Beim flüssigen Beschichtungsmaterial wird dies zu folge der Möglichkeit der gegenseitigen inneren Ver- schiebbarkeit der Materialteilchen im flüssigen oder im in Flüssigkeit suspendiertem Zustand ohne weiteres in der Zerstäuberdüse erreichbar sein.
Beim pulverigen im Trägergas schwebenden Be- schichtungsmaterial kann eine Beschleunigung durch Eigendruck und Austritt aus einer engsten Düsen- öffnung nicht mehr erfolgen, sondern das Material muss durch das und mit dem Trägergas beschleunigt werden.
Will man das Beschleunigungsmaterial in extreme Vertiefungen, - elektrostatisch gesprochen in Faraday- sche Dunkelräume - hineintragen, so muss das hoch beschleunigte Trägermaterial so weit wie möglich vom Luftstrom separiert werden.
Dies wird wiederum durch den bereits beschriebe nen Diffusor erreicht. In Fig.2 ist schematisch eine hierzu geeignete Einrichtung dargestellt. In einem en gen Beschleunigungsrohr 1 wird das pulverige Be- schichtungsmaterial durch ein rasch strömendes Trä gergas beschleunigt und als Sprühstrahl in den Diffu- sorkalan 3 eingetragen. Der Erweiterungswinkel dieses Diffusorkanals ist jedoch grösser als im oben be schriebenen Falle.
Die geometrische Gestaltung dieses Diffisors muss nun so gewählt werden, dass eine zwar nicht vollständige aber technisch ausreichende Separie- rung des Beschichtungsmaterials vom Trägergasstrom erfolgt, jedoch keine Strahlablösung von den Kanal wänden stattfindet. Die hierzu geeignete Grösse der Erweiterungswinkel lässt sich wiederum empirisch leicht feststellen.
In einem nach diesen Grundsätzen ausgebil deten Diffusor bewegt sich die Hauptmasse des Be- schichtungsmaterials in einem engen und zentralen Strahl 7 sehr geringer öffnung, wogegen die Haupt menge des Trägergases in die Randgebiete des Kanals abgezogen wird und von dort abströmt.
Beim nachfolgenden Durchtritt des trägerarmen Pulverstrahles 7 durch die rotierenden und spannungs führenden Bremselektroden 5 wird das Beschichtungs- pulver elektrisch aufgeladen und beschleunigt.
Da, wie beschrieben, die Separierung von Be- schichtungspulver und Trägergas nicht vollständig er folgt, werden Pulverteilchen an die Wandungen des Dif- fusorkanals 3 getragen und dort abgesetzt. Solche Ab lagerungen kann man dadurch verhindern, dass man den Diffusor am Beschleunigungsrohr 1 fest anordnet und die rotierende Bremselektrode 5 beispielsweise mit Drähten 8 versieht, welche in den Diffusorkanal 3 hin einragen und parallel zu dessen Wandungen verlaufen.
Man erhält auf diese Weise sozusagen eine einfache Räumvorrichtung, welche bei Rotation der Bremselek- trode 5 allfällig sich am Diffusor ansetzende Material teilchen ständig forträumt, so dass die Wandungen sau ber bleiben und somit das Trägergas ohne Strahlablö- sung führen können.
Um nun eine räumlich weit ausgedehnte grosse Pulverwolke zu erhalten, kann man den, wie oben be schrieben hergestellten engen Pulverstrahl auf eine, zen tral in der Austrittsöffnung des Diffusors angeordnete Prallplatte auftreffen lassen, so dass der Trägergas- Pulverstrom abgelenkt und zum Teil turbulent wird. Eine solche Einrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Für besonders grosse Öffnungswinkel des Sprühstrahles ist es zweckmässig, dem Strömungskanal 9 eine paraboli sche Form zu geben. Die Prallplatte 10 ist kreisförmig und mittels Streben 11 an den Elementen der Brems elektrode 5 befestigt.
Die Bremselektrode 5 zusammen mit der Prallplatte 10 und dem Zerstäuberkopf bilden hierbei wiederum eine um die Strahlachse rotierende Baueinheit.
Ohne auf technische Einzelheiten eingehen zu müs sen, ist es ersichtlich, dass die Herstellung einer der artigen Sprüheinrichtung auf keinerlei Schwierigkeiten stösst. Für Grossbetriebe wird es vorteilhaft sein, für jeden besonderen Zweck, also Tiefensprühen, Gross flächen-Sprühen usw., eine besondere Einrichtung zu verwenden, welche speziell ihrer jeweiligen Aufgabe an- gepasst ist und in ihrer Wirkung nur geringfügige Ände rungen zulässt.
Einrichtungen mit einem grösseren Verwendungs bereich erhält man, wenn, wie bereits erwähnt, in einem rotierenden und die Bremselektrode tragenden Zerstäu- berkopf Diffusoren verschiedener Form auswechselbar angeordnet werden. Hier sind Konstruktionen mit den verschiedensten Variationen möglich.
Aber auch Einrichtungen mit einstellbarem Erwei- terungswinkel des Diffusors sind möglich. Eine solche Einrichtung wird im wesentlichen aus einem ersten ring förmigen Trägerteil mit einer grösseren Öffnung, an welchen an seiner Aussenfläche die Elemente der Brems elektrode und herausklappbar die zentrale Prallplatte befestigt sind und welcher achsial zum ersten Träger teil verschiebbar angeordnet ist, und aus einer die bei den Trägerteile miteinander verbindenden elastischen Membran bestehen.
Die Membran kann beispielsweise eine steife Folie in Form eines Kreissegmentes sein, welche innen an den ringförmigen Trägerteilen anliegt, und derart ge haltert ist, dass sie sich bei Rotation der Trägerteile an die Innenwandung der Trägerteile anlegt. Durch Verschiebung des grösseren Trägerteiles zum kleineren Trägerteil hin, an welchem das Beschleunigungsrohr angeschlossen ist, oder von diesem weg, wird sich der Erweiterungswinkel des Kanals in zwar nicht grossen aber ausreichenden Grenzen vergrössern oder verklei nern. Auch eine gummielastische Membran in Form eines Kegelstumpfes ist anwendbar. Auf diese oder ähnliche Weise kann eine Einrichtung erhalten wer den, die während des Betriebes den jeweiligen Erfor dernissen angepasst werden kann.
Durch diese erfindungsgemässe Einrichtung wird es somit möglich, das im schweizerischen Patent beschrie bene Verfahren auch auf das Pulversprühen auszudeh nen.