CH641691A5

CH641691A5 - Atomising method and atomising apparatus

Info

Publication number: CH641691A5
Application number: CH1039879A
Authority: CH
Inventors: Kurt Moos
Original assignee: Gema Ransburg Ag
Priority date: 1979-06-09
Filing date: 1979-11-21
Publication date: 1984-03-15
Also published as: ATA724879A; DE2923451C2; DE2923451A1; AT372307B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerstäuben von Zerstäubungsmaterial, welches über ein in Strömungsrichtung dieses Materials trichterartig erweitertes Kanalstück ausgestossen wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Zerstäubungseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens, mit einem Materialkanal für das Zerstäubungsmaterial, einer diesem nachgeordneten, in Strömungsrichtung trichterartig erweiterten Mündungsöffnung, die frei ist von Einbauten, die das Zerstäubungsmaterial wesentlich umlenken würden, und mindestens einem Gaskanal zum Einbringen von Gas in den Materialstrom von der Seite her.

Solche Einrichtungen sind bekannt aus den DE-AS 1 427 642 und DE-OS 1 777 284. Bei diesen ist zwischen dem eigentlichen Pulverkanal und der Mündungsöffnung eine Drallkammer vorgesehen. In diese Drallkammer mündet nahe, jedoch nicht unmittelbar am Anfang der Mündungsöffnung der Auslass eines Gaskanals zum Einbringen von Gas, normalerweise Luft, welches das Pulver verwirbelt. Die eigentliche Zerstäubung erfolgt bei diesen bekannten Einrichtungen erst weiter stromabwärts durch den Strömungs-abriss an einem scharfkantigen Mündungsrand der Mündungsöffnung. Damit kann aber nur ein sehr eng gebündelter Zerstäuberstrahl erzeugt werden. Wenn dagegen, wie in den meisten Fällen, eine grössere Pulverwolke erzeugt werden soll, dann sind bei den bekannten Einrichtungen Einbauten in der Mündungsöffnung entsprechend den Fig. 3 bis 5 der genannten DE-OS 1 777 284 erforderlich, die eine Prall- und Umlenkwirkung haben. Das Zerstäuben von Pulver durch die Verwendung von Prallplatten ist auch aus den DE-OS 1 577 760 und DE-PS 1 752 027 bekannt.

Weiter ist es aus der DE-PS 2 030 388 bekannt, Pulver elektrostatisch aufzuladen, damit es von den zu beschichtenden Gegenständen angezogen wird, so dass es an diesen besser haftet und weniger Pulver verlorengeht.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Zerstäubungsmaterial, insbesondere pulverförmiges Beschichtungsmaterial, zu einer Wolke zu zerstäuben, die quer zur Strömungsrichtung eine im wesentlichen gleichförmige Dichte hat und deren axiale Ausbreitungsgesehwindigkeit wesentlich kleiner ist als die axiale Geschwindigkeit des un-zerstäubten Materials. Ferner sollen Ablagerungen von Zerstäubungsmaterial an der Zerstäubungseinrichtung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung bei dem Verfahren dadurch gelöst, dass das Zerstäubungsmaterial durch quer zu seiner Strömungsrichtung eingeleitetes Gas radial auseinander getrieben wird, derart, dass es von der Wandung des trichterartigen, progressiv erweiterten Kanalstük-kes durch entstehenden Unterdruck nach dem Coanda-Effekt angezogen wird und im wesentlichen ohne Umkehrströmungen bis zu einer Auslassstelle an dieser Kanalwand entlang strömt.

Ferner wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung bei der Zerstäubungseinrichtung dadurch gelöst, dass die Mündungsöffnung in Strömungsrichtung fortlaufend und mit stetig grösser werdendem Öffnungswinkel erweitert ist und dass

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der Gaskanal und die Mündungsöffnung so aufeinander abgestimmt sind, dass das Zerstäubungsmaterial vom Gasstrom zur Wandung der Mündungsöffnung hin auseinander getrieben wird und an dieser Mündungswand, im wesentlichen ohne Umkehrströmungen, bis zu einer Auslassstelle entlang strömt.

Die Erfindung betrifft insbesondere pulverförmiges, einschliesslich körniges, Zerstäubungsmaterial. Sie kann jedoch auch für flüssiges Zerstäubungsmaterial vorteilhaft sein. Zum Transport von pulverförmigem bis körnigem Zerstäubungsmaterial dient normalerweise ein Gasstrom, der das Zerstäubungsmaterial mitreisst und zur Zerstäubungseinrichtung fördert.

Durch die Erfindung wird erstmals der sogenannte Co-anda-Effekt zum Zerstäuben von strömungsfähigen Materialien ausgenutzt. Der Coanda-Effekt beruht darauf, dass Flüssigkeits- und Gasstrahlen bei bestimmten Voraussetzungen zu einer benachbarten Wand hin abgelenkt werden und an dieser haften. Ein Strahl hat normalerweise das Bestreben, geradeaus weiterzuströmen. Er reisst Gas- oder Flüssigkeitsteilchen mit, die sich zwischen ihm und der Wand finden. Dadurch entsteht zwischen Strahl und Wand ein Unterdruck, der den Strahl zur Wand hin ablenkt. Kurz: Der Coanda-Effekt beruht auf Unterdruckwirkung im Gebiet des wandseitigen Strahlrandes. Die Wand braucht zur Strahlachse nicht parallel zu sein. Die Neigung bzw. der Winkel zwischen Wand und Strahlachse kann bis ungefähr 30° betragen und beträgt vorzugsweise 7°.

Durch die Erfindung wurde erkannt, dass die Anwendung des Coanda-Effektes auf einen Materialstrom für sich allein noch nicht die gewünschte vorteilhafte Zerstäubung bringt. Gemäss der Erfindung wird der Materialstrom in ein in Strömungsrichtung trichterförmig erweitertes, und zwar progressiv weiterwerdendes, Kanalstück oder Mündungsstück getrieben, deren Wand mit der Mantelfläche des Materialstromes einen so grossen Winkel einschliesst, dass der Coanda-Effekt eigentlich nicht eintreten kann. Erst durch das Einleiten von Gas mit entsprechender Richtung und Stärke wird der Materialstrom radial soweit auseinander getrieben, dass die Mantelfläche dieses auseinandergetriebenen Materialstromes mit der trichterartigen Wand den Coanda-Effekt hervorruft.

Dadurch wird gemäss der Erfindung eine Wolke aus Zerstäubungsmaterial erzeugt, die von Anfang an quer zur axialen Ausbreitungsrichtung über den gesamten Querschnitt eine im wesentlichen gleichförmige Dichte hat. Ferner ist die axiale Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wolke wesentlich kleiner als die axiale Geschwindigkeit des unzerstäubten Materials. Dadurch haftet das Material besser an zu beschichtenden Gegenständen, da die Prallwirkung geringer ist.

Durch das erfindungsgemässe Vermeiden von Einbauten, die das Zerstäubungsmaterial wesentlich umlenken würden, füllt die Wolke die trichterförmige Erweiterung der Mündungsöffnung voll aus. Die Wolke hat einige Zentimeter nach Mündungsaustritt weder Löcher noch einen ausgeprägten Strahlenkern. Sie hat im Inneren im wesentlichen die gleiche Dichte wie im Bereich des Wolkenrandes. Dadurch ergeben sich beim Beschichten von Gegenständen kürzere Beschichtungszeiten und gleichmässigere Beschichtungsflä-chen, da ein besprühter Beschichtungsbereich an allen Stellen gleichmässig mit Zerstäubungsmaterial belegt wird.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In diesen zeigen:

Fig. 1 einen abgebrochenen Axialschnitt einer Pulver-Zerstäubungseinrichtung,

Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Materialwolke, wie sie mit bekannten Einrichtungen beim Zerstäuben von Flüssigkeiten erzeugt wird,

Fig. 4 und 5 mit der erfindungsgemässen Einrichtung erzeugte Pulverwolken,

Fig. 6 eine bevorzugte Mundstücksöffnung im Axialschnitt,

Fig. 7 eine andere bevorzugte Mundstücksöffnung im Axialschnitt, und

Fig. 8 einen vergrösserten Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform im Axialschnitt.

Die Einrichtung nach Fig. 1 kann die Form eines Pistolenkörpers 1 haben. Von diesem ist nur ein Teil gezeichnet. Er enthält einen Zerstäubungskanal 2 und einen Steuergaskanal 3 sowie Hochspannungsleitungen 4 und 5. Am Pistolenkörper 1 ist ein sogenanntes Zerstäubermundstück 6 lösbar befestigt, z.B. angesteckt. An der Trennstelle der Steckverbindung befinden sich elektrische Stecker 7 und 8 der Hochspannungsleitungen 4 und 5. Am Übergang des Zerstäubergaskanals 2 zum Mundstück 6 befindet sich eine Dichtung 9. Das Zerstäubergas, normalerweise Luft, des Kanals 2 mündet in eine Ringkammer 10, an die sich ein spiralförmiger Kanalabschnitt 11 anschliesst, in welchem das Zerstäubergas in eine rotierende Bewegung gebracht wird. Der spiralförmige Kanalabschnitt 11 ist durch ein Flachgewinde und eine koaxial angrenzende, glatte zylindrische Wand gebildet. Danach tritt das Zerstäubergas mit einer tangentialen Bewegungskomponente aus einem ringförmigen Schlitz 12 aus und erteilt dem über einen Kanal 13 zugeführten Zerstäubungsmaterial 14 eine Drall- bzw. Wirbelbewegung. Dadurch wird die Zerstäubung eingeleitet. Das Zerstäubungsmaterial 14 besteht bei dieser Ausführungsform aus Treibgas, normalerweise Luft, als Transportträger und von diesem Treibgas transportiertem pulverförmigem bis körnigem Beschichtungsmaterial.

Durch den Steuergaskanal 3 wird Steuergas in eine Ringkammer 15 geleitet, von der mehrere Bohrungen 16 in eine zweite Ringkammer 17 münden. Von ihr gelangt das Steuergas in einen Ringspalt 18. Je nach der austretenden Gasmenge und dem Gasaustrittswinkel wird der Durchmesser bzw. der Zerstäubungswinkel der Pulverwolke verkleinert oder vergrössert, die am Ende des Kanals 13 über eine Mündungsöffnung 26a austritt. Diese Mündungsöffnung 26a mit einer Mündungswand 26 ist über ihre gesamte Tiefe fortlaufend und progressiv in Strömungsrichtung trichterartig erweitert.

Der Ringspalt 18 kann dadurch einstellbar sein, dass er gemäss Fig. 2 zwischen einem Mundstücksteil 29, der die Mündungsöffnung 26a aufweist, und einem verstellbar angeschraubten Aussenring 30 gebildet ist. Durch axiales Verstellen des Aussenringes 30 werden die den Ringspalt 18 bildenden Flächen der Teile 29 und 30 in ihrem Abstand und in ihrer Lage zueinander verändert.

Das pulverförmige Zerstäubungsmaterial kann in an sich bekannter Weise elektrostatisch aufgeladen werden (DE-PS 2 030 388). Die dafür erforderlichen Hochspannungsleitungen 4 und 5 sind über zwei Schutzwiderstände 19 und 20 an die Stecker 7 und 8 angeschlossen. Dadurch kann Hochspannung an Leitungen 21 und 21a gelangen, deren Enden Aufladeelektroden 22, 23, 24 und 25 bilden.

Aus einem Ringspalt austretende rotierende Luft zur Zerstäubung von Lacken zu verwenden, ist an sich bekannt. Diese bekannte Einrichtung weist jedoch keine divergierende Mündungsöffnung auf, und es wird ein Zerstäubungsstrahl gemäss Fig. 3 erzeugt.

Der zerstäubte Flüssigkeitsstrahl 35 enthält anfanglich einen dichten Strahlenkern 36. Ferner sind bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten andere Kriterien massgebend als bei pulverförmigen Materialien.

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Anders als bei der bekannten Einrichtung wird bei der erfindungsgemässen Einrichtung das Zerstäubergas des Kanals 2 so eingeleitet, dass sich das Zerstäubungsmaterial 14 an die Öffnungswand 26 der sich trichterartig progressiv erweiternden Mündungsöffnung 26a anlegt. Bei dieser Betriebsart bildet sich an der Aussenfläche 27 des Mundstückes 6 eine Luftbewegung in Richtung des Pfeiles 28. Dadurch wird verhindert, dass sich auf dieser Fläche Pulver ablagert. Solches abgelagertes Pulver würde in periodischen Abständen in Form von Pulverbatzen auf das zu beschichtende Objekt fallen. Die Pulverwolke 37 hat bei ungehindertem Ausbreitungsraum eine Form gemäss Fig. 4.

Über den Ringspalt 18 zugeführte Steuerluft kann den Strahl 38 gemäss Fig. 5 verformen. Diese Pulverwolkenform 38 ist in denjenigen Fällen erwünscht, wo in die Tiefe gespritzt werden muss, beispielsweise beim Innenbeschichten eines U-Profils, Es ermöglicht gewissermassen den faraday-schen Käfig zu überwinden.

Eine Beeinflussung der Grösse und Form der Pulverwolke ist auch möglich durch Umkonstruktion des die Mündungsöffnung 26a bildenden Mundstücksteiles 29 derart, dass wahlweise verschiedene Mundstücksteile 29 aufgesteckt werden können, welche unterschiedliche Winkel der Mündungswand 26 bezüglich einer achssenkrechten Ebene aufweisen. Die Mündungswand 26 ist in Strömungsrichtung progressiv erweitert.

Die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Winkelverhältnisse haben sich gemäss der Erfindung als besonders günstig erwiesen. Bei einem Winkel a von etwa 65° zwischen Pulverkanal 13 und Mündungsende des Zerstäubergasschlitzes 12 betragen die Winkel 6 zwischen der Zerstäuber-Mündungswand 26 und einer achssenkrechten Ebene 13a des Pulverkanals 13 gemäss Fig. 6 zwischen etwa 40° am stromaufwärtigen Anfang und minimal 0°, vorzugsweise etwa 5°, am stromabwärtigen Ende der Mündungsöffnung 26a. Bei einem Winkel a von etwa 85° betragen die Winkel 8 gemäss Fig. 7 zwischen etwa 25" am stromaufwärtigen Anfang und minimal 0°, vorzugsweise etwa 2,5°, am stromabwärtigen Ende der Mündungsöffnung 26a.

Der äussere Mündungsteil 29 ist über ein Gewinde 39 axial einstellbar an einen inneren Mundstücksteil 40 angeschraubt. Durch diese axiale Verstellmöglichkeit kann die lichte Weite des Ringschlitzes 12 für das Zerstäubergas verändert werden.

Bei der Ausführung nach Fig. 8 mündet ein Zerstäubergaskanal 41 mit einem Winkel a von ungefähr 65° schräg in den Strömungsweg von pulverförmigem Zerstäubungsmaterial 42, das über einen Materialkanal 43 in eine Mündungsöffnung 44 strömt. Diese ist von einem Anfang 44a an, der gleichzeitig das Ende des Materialkanals 43 ist, in Strömungsrichtung fortlaufend und progressiv trichterartig erweitert. Der Abschnitt der Mündungswand 45 zwischen dem Anfang 44a und dem ringschlitzförmigen Auslass des Zerstäubergaskanals 41 braucht nicht progressiv zu verlaufen. Die Krümmung der Mündungswand 45 ist so bemessen,

dass der Coanda-Effekt zur Wirkung kommt und dadurch das Zerstäubungsmaterial 42 bis zu einer gewünschten Auslassstelle 46 an dieser Mündungswand 45 festgehalten wird. Wenn eine Zerstäubungswolke 47 gleichförmiger Dichte ohne ausgeprägten Strahlenkern 48 auf diese Weise erzeugt werden soll, dann darf der Winkel ß zwischen einem resultierenden Energievektor 51 des Zerstäubungsmaterials 42 und einer Tangente 52 eines benachbarten Bereiches der Mündungswand 45 höchstens 30° betragen. Vorzugsweise beträgt dieser Winkel ß zwischen 6° und 10°.

Der Energievektor 51 ergibt sich als Resultierende aus dem axialen Energievektor 53 des Zerstäubungsmaterials 42 und dem zur Mündungswand 45 gerichteten Energievektor 54 des Zerstäubergases aus dem Kanal 41. Mit anderen Worten ausgedrückt, bedeutet dies, dass der Coanda-Effekt dann wirksam wird, wenn der Winkel ß zwischen der Mantelfläche des mit dem Gas radial auseinandergetriebenen Materialstromes und der Mündungswand 45 maximal 30° beträgt. Vorzugsweise beträgt der Winkel ß 7°. Das Zerstäubungsmaterial besteht bei dieser Ausführungsform aus pulverförmigem Material und einem Gas als Transportträger. Stromabwärts der schlitzförmigen Auslassöffnung 49 des Zerstäuberkanals 41 ist die Krümmung der Mündungswand 45 derart, dass die Tangenten 55 und 56 von zwei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Punkten 57 und 58 dieser Mündungswand 45 einen Winkel y von weniger als 30° einschliessen. Vorzugsweise liegt dieser Winkel y zwischen 6° und 10°. Günstig sind ungefähr 7°.

In Fig. 8 befindet sich die Auslassöffnung 49 des Zerstäubergaskanals 41 im stromaufwärtigen Anfangsbereich der Krümmung der Mündungswand 45, während sie in Fig. 1 unmittelbar vor der trichterartigen Erweiterung angeordnet ist. Ansonsten entspricht der Zerstäubergaskanal 41 von Fig. 7 dem Kanal 2,11 von Fig. 1. Die Mündungswand 45 ist durch ein Mundstücksteil 60 gebildet, das über ein Gewinde, ähnlich dem Gewinde 39 von Fig. 1, mit einem inneren Mundstücksteil 61 axial verstellbar verbunden ist. Die beiden Teile 60 und 61 bilden zusammen ein Mundstück 62, welches im wesentlichen dem Mundstück 6 von Fig. 1 entspricht. Durch axiales Verstellen des äusseren Teiles 60 mit Bezug auf den inneren Teil 61 kann die Spaltweite der ring-schlitzartigen Auslassöffnung 49 des Zerstäubergaskanals 41 verändert werden.

Durch den Coanda-Effekt kann zwischen dem Zerstäubungsmaterial 14 bzw. 42 und der Wand 26 bzw. 45 der Mündungsöffnung 26a bzw. 44 eine starke Reibung erzielt werden. Diese Reibung kann zur Erzeugung einer Reibungselektrizität verwendet werden, durch welche das Zerstäubungsmaterial so stark aufgeladen wird, dass Auflade-elektroden 22 bis 25 entfallen können. Dazu ist es erforderlich, dass der die Mündungsöffnung 26a bzw. 44 bildende Mundstücksteil 29 bzw. 60 ein wesentlich anderes spezifisches elektrisches Spannungspotential hat als das Zerstäubungsmaterial. Beispielsweise eignet sich für die Teile 29 und 60 Teflon bei Epoxy-Zerstäubungsmaterial und Polyester bei Plexiglas-Zerstäubungsmaterial.

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1. Verfahren zum Zerstäuben von Zerstäubungsmaterial, welches über ein in Strömungsrichtung dieses Materials trichterartig erweitertes Kanalstück ausgestossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerstäubungsmaterial durch quer zu seiner Strömungsrichtung eingeleitetes Gas radial auseinandergetrieben wird, derart, dass es von der Wandung des trichterartigen, progressiv erweiterten Kanalstückes durch entstehenden Unterdruck nach dem Coanda-Effekt angezogen wird und im wesentlichen ohne Umkehrströmungen bis zu einer Auslassstelle an dieser Kanalwandung entlangströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem Winkel, dessen Spitze in Strömungsrichtung des Zerstäubungsmaterials zeigt, von weniger als 90° in das Zerstäubungsmaterial eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in Richtung auf einen Wandungsbereich des trichterartigen Kanalstückes in das Zerstäubungsmaterial eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zerstäubungsmaterial mit dem Gas eine Wirbelbewegung aufgezwungen wird.

5. Zerstäubungseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, insbesondere für pulverför-miges Beschichtungsmaterial, mit einem Materialkanal (13; 43) für das Zerstäubungsmaterial, einer diesem nachgeordneten, in Strömungsrichtung trichterartig erweiterten Mündungsöffnung (26a; 44), die frei ist von Einbauten, die das Zerstäubungsmaterial wesentlich umlenken würden, und mindestens einem Gaskanal (2,11; 41) zum Einbringen von Gas in den Materialstrom von der Seite her, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsöffnung (26a; 44) in Strömungsrichtung fortlaufend und mit stetig grösser werdendem Öffnungswinkel erweitert ist und dass der Gaskanal (2, 11; 41) und die Mündungsöffnung (26a; 44) so aufeinander abgestimmt sind, dass das Zerstäubungsmaterial (14; 42) vom Gasstrom zur Wandung (26; 45) der Mündungsöffnung hin auseinandergetrieben wird und an dieser Mündungswandung, im wesentlichen ohne Umkehrströmungen, bis zu einer Auslassstelle entlangströmt.

6. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (2, 11; 41) so ausgebildet ist, dass das aus ihm austretende Gas dem Zerstäubungsmaterial (14; 42) eine Wirbelbewegung erteilt.

7. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (12; 49) des Gaskanals (2, 11; 41) verstellbar ist.

8. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassende (12; 49) des Gaskanals (2,11; 41) mit einem Winkel (a), dessen Spitze in Strömungsrichtung des Zerstäubungsmaterials (14; 42) zeigt, zwischen 65° und 85° zum Materialkanal (13; 43) verläuft.

9. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (2,11; 41) nahe beim oder am stromaufwärtigen Anfang (44a) der Mündungsöffnung (26a; 44) ausmündet (12; 49).

10. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassende (12; 49) des Gaskanals (2,11; 41) auf einen Bereich der Wandung (26; 45) der Mündungsöffnung (26a, 44) gerichtet ist.

11. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (26; 45) der Mundstücksöffnung (26a; 44) aus einem mit dem Zerstäubungsmaterial Reibungselektrizität zu erzeugen bestimmten Material besteht.

12. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (5) zwischen Mündungswandung (26; 45) und einer zum Materialkanal (13; 43) achssenkrechten Ebene am stromaufwärtigen Anfang der Mündungsöffnung (26a; 44) im Bereich zwischen 40° und 25° und am stromabwärtigen Ende der Mündungsöffnung im Bereich zwischen 5" und 0: liegt.