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Dies
ist eine Teilfortsetzung der US-Anmeldung Nr. 10/259,209, eingereicht
am 27. September 2002 und in üblicher
Weise übertragen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen Spritzpistolen zum Laden und Verteilen
von Pulvern, wie beispielsweise elektrostatisch geladenen Pulverlackpartikeln,
zum Aufbringen auf der Oberfläche
eines Werkstücks.
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Konventionelle
Pulverapplikatoren basieren auf einer externen elektrostatischen
Ladung einer verteilten Partikelwolke, wie teilweise in dem US-Patent
Nr. 5,711,489 beschrieben. Dieses Patent beschreibt auch Mittel
zum Verbessern der Partikelverteilung durch einen rotierenden Luftstrom
im Inneren der Pistole, und ebenso eine Temperatur- und Feuchtigkeitssteuerung
des Pulver zuführenden
Luftstroms. Andere konventionelle Pulverapplikatoren basieren auf
Prinzipien eines rotierenden Trichteraußenrings (bell cup), wie sie
in US-Patent Nr. 5,353,995 beschrieben sind.
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Das
US-Patent Nr. 6,254,684 beschreibt einen intern geladenen Pulverspritzapplikator,
bei dem das Pulver in der internen Ladungskammer der Pistole vorgeladen
wird. Der Vorgang der internen Ladung erfordert interne Hochspannungselektroden und
wenigstens eine Erdungselektrode. Das '684-Patent offenbart eine erste Ausführung, in
der ein rundes Pulverwolkenmuster mittels eines runden, konischen
Deflektors erzeugt wird, und einen zweiten Ansatz, bei dem ein flaches
Spritzmuster mittels einer geschlitzten Düse erzeugt wird. Die Erzeugung einer gerundeten
Pulverwolke ist in Fällen
wichtig, bei denen ein Roboter oder eine andere wechselwirkende Maschine
zum Bewegen eines Applikators um oder in das Innere des lackierten
Werkstückobjekts
verwendet wird. Der Wolkengenerator in dem '684-Patent hat einige Nachteile hinsichtlich
einer Verschmutzung des Deflektors durch Lackpartikel, was aufgrund
des Tropfens von Pulveranhäufungen
auf die Oberfläche
des Werkstücks
zu Beschichtungsdefekten auf dem Werkstück führt. Die Erzeugung eines flachen
Spritzmusters neigt weniger zu Verschmutzung und wird für flache
Werkstückoberflächen weitgehender
verwendet. Jedoch ist ein flaches Muster für gebogene Werkstückoberflächen und
für Robotikanwendungen
insofern schwieriger zu verwenden, als dieser Ausführungsansatz
mehr Roboterarm-Reorientierungen bei der Programmierung von Robotertakten
(robot strokes) zum Verwirklichen der gewünschten Oberflächenabdeckung
erfordert.
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Das
US-Patent Nr. 6,053,420 offenbart eine auf einem tangentialen Luft/Pulvergemischfluss
basierende konische Pulververteilungseinheit, die ein rundes Pulverwolkenspritzmuster
liefert, jedoch die Verwendung eines Deflektors in der Richtung
des Pulverflusses vermeidet. Während
dieser Ansatz eine Verbesserung gegenüber dem US-Patent Nr. 5,711,489
darstellte, war er nichtsdestotrotz auf Konusgrößen von 50 bis 170 mm Durchmesser
beschränkt,
was für
Robotikanwendungen ziemlich groß ist.
Zusätzlich
wird bei dieser Größe die Pulverwolke
ziemlich "weich", um von einem Roboterarm bewegt
zu werden. Der in dem '420-Patent
offenbarte Ansatz nahm zusätzlich
eine direkte Zuführung
von einer Flüssigpulverbetteinspeisung
in einem dichten Pulverfluss direkt durch eine relativ kleine Öffnung vorweg.
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Die
deutsche veröffentlichte
Patentanmeldung Nr. 19614193 beschreibt die Kombination von interner
und externer Pulverladung kombiniert mit einem externen tangentialen
Wirbelfluss, der eine weichere, rotierende Rundmusterpulverwolke
erzeugen soll, während
er die Verwendung von Deflektoren im Pulverstrom vermeidet.
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Während sie
für ihre
bestimmungsgemäßen Anwendungen
geeignet ist, birgt die Spritzpistole, die in der US-Hauptpatentanmeldung
Nr. 10/259,209 offenbart ist, Nachteile der nicht akzeptablen Abnutzung
ihrer Düse
und ihres wirbelflusserzeugenden Segments ihrer Beschichtungskammer,
wenn sie mit einigen abschleifenden Pulvern mit hohem Metallgehalt
oder einem hohen Reibungskoeffizienten verwendet wird.
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Deswegen
wird im Stand der Technik ein Bedürfnis gesehen für einen
Pulverapplikator mit der Fähigkeit,
formende Luft anstelle von Deflektoren zu verwenden, der aber trotzdem
die Fähigkeit
hat, das Pulver/Luftgemisch in einer stärkeren Bewegung zu halten,
während
der Abriebschaden des Pulverapplikatorinneren und der Spritzdüse durch
aggressive Pulverlackmaterialien minimiert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung schließt eine
Pulverspritzpistole zur elektrostatischen Pulverapplikation einen
Pistolenkörper
mit einer internen Pulverempfangskammer, die eine sich entlang einer Achse
des Pistolenkörpers
erstreckende Oberfläche definiert
und aus einem Material hergestellt ist, das einer Pulveraufprallfusion
(powder impact fusion) Widerstand bietet, und eine auswechselbare
Ausgangskammer ein, die eine Pulverwirbel- und Ladekammer in Fluidverbindung
mit der Pulverempfangskammer aufweist und aus einem Material hergestellt
ist, das Pulverabrieb und – aufprallfusion
Widerstand bietet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung schließt eine Pulverspritzpistole
zur elektrostatischen Pulverbeschichtungsapplikation einen Pistolenkörper mit
einer internen Pulverempfangskammer, die eine sich entlang einer
Achse des Pistolenkörpers
erstreckende Oberfläche
definiert und aus einem Material hergestellt ist, das einer Pulveraufprallfusion
Widerstand bietet, eine auswechselbare Pulverlade- und Wirbelkammer
in Fluidverbindung mit der Pulverempfangskammer und hergestellt
aus einem Material, das einem Pulverabrieb und -aufprallfusion Widerstand
bietet, und ein auswechselbares Pistolenausgangselement ein, das
in einer trichterförmigen
Ausgangskammer in Fluidverbindung mit der Pulverlade- und Wirbelkammer
endet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung schließt eine Pulverspritzpistole
zur elektrostatischen Pulverbeschichtungsapplikation einen Pistolenkörper mit
einer internen Pulverladekammer, die eine sich entlang einer Achse
des Pistolenkörpers
erstreckende Oberfläche
definiert und aus einem Material hergestellt ist, das Pulverabrieb
und – aufprallfusion
Widerstand bietet, und eine Ausgangskammer ein mit einer hohlen
Röhre in
Fluidverbindung mit der Pulverladekammer und einem kreisförmigen Zwischenraum
zwischen der hohlen Röhre
und einer Außenwand
der Ausgangskammer ein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Ziele und Merkmale der Erfindung werden beim Lesen einer detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung klar werden, in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Pulverspritzpistole
ist, die gemäß den Prinzipien
der Erfindung angeordnet ist;
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2 eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
von 1 ist;
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3 eine
radiale Querschnittsansicht der Spritzpistole aus 2 ist,
die in der Nähe
der internen Ladeelektroden der Pistole genommen wurde;
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4 eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
einer zweiten Ausführungsform
einer Pulverspritzpistole ist, die gemäß den Prinzipien der Erfindung
angeordnet ist;
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5 eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
einer dritten Ausführungsform
einer Pulverspritzpistole ist, die gemäß den Prinzipien der Erfindung
angeordnet ist; und
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6 eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
einer vierten Ausführungsform
einer Pulverspritzpistole ist, die gemäß den Prinzipien der Erfindung
angeordnet ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Mit
der unten beschriebenen Anordnung wird ein Pulverlackapplikator
eine interne Vorladung des Pulvers in einer Kammer mit einem gegenüber dem Stand
der Technik beträchtlich
reduzierten Durchmesser verwenden, um das Pulver/Luftgemisch in
einer stärkeren
Bewegung zu halten.
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In
Bezug auf 1 bis 3 weist
eine Pulverspritzpistole 100 zur elektrostatischen Pulverbeschichtungsapplikation
einen verlängerten
Pistolenkörper 106 auf,
der sich entlang einer Längsachse
zu einer Ausgangskammer erstreckt, die einen in einer Außenringhalterung 102 gehaltenen
Wirbel-Trichteraußenring 104 umfasst.
Ein Pulver/Luft-Zuführungsgemisch
von einem Pulvervorrat tritt am Einlass 108 in den Pistolenkörper ein.
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Wie
in 2 besser gesehen werden kann, hat die Pistole 100 ihr
Applikatorgehäuse 106,
das sowohl eine Hochspannungs kaskade 206 als auch eine
Pulverladekammer 202 umschließt, die eine hauptsächlich durch
einen entfernbaren Einsatz 204 definierte Kammeroberfläche 205 bereitstellt,
die aus einem gegenüber
Pulveraufprallfusion resistenten Material mit geringer Reibung hergestellt
ist. Beispiele eines solchen geeigneten Materials sind im Handel erhältliche
Kunststoffe.
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Ein
erstes Einlassende der Pulverladekammer 202 steht in Fluidverbindung
mit dem Pulver/Luftgemisch-Versorgungskanal 108. Der Eingang 108 hat
eine Längsachse,
welche die Längsachse der
Kammer 202 mit einem von 90° verschiedenen Winkel schneidet,
vorzugsweise mit einem Winkel in der Größenordnung von 75°.
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Das
Einlassende von Kammer 202 steht, mittels einer Öffnung 227,
ebenfalls in Fluidverbindung mit einer Erdungselektrode 224,
welche sich im Wesentlichen entlang der Längsachse der Kammer 202 von
einem ersten Ende des Pistolenkörpers 106 bei einem
Erdungselektroden-Abführlufteinlass 220 bis zu
einer neben der Elektrodenspitze liegenden Öffnung 227 erstreckt.
Die Elektrode 224 umfasst eine hohlröhrenartige Anordnung, welche
die Einführung von
Abführluft
beim Einlass 220 zulässt,
um entlang des Inneren des Röhrenabschnitts
der Elektrode 224 zu wenigstens einer in der zylindrischen
Oberfläche der
Elektrode angeordneten Abführluftöffnung 226 zu fließen und
die Öffnung
so zu verlassen, dass sie am Kopf der Elektrode 224 hängende Pulverpartikel
abführt.
Abführluft,
die die Ladekammer 202 bei der Öffnung 227 betritt,
hilft beim Antreiben von Pulverpartikeln, die beim Eingang 108 entlang
der Achse der Kammer 202 eindringen.
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Zusätzlich befindet
sich am ersten Ende des Pistolenkörpers oder -gehäuses 106 ein
Wirbellufteinlass 222, der für eine Koppelung an eine Druckluftquelle
für die
Leitung in den Pistolenkörper
zu einem Punkt am Umfang der Ladungskammer 202 in der Nähe der internen
Ladungselektroden 302a-f (3) geeignet
ist. Dieser sich vom Lufteinlass 222 von 2 erstreckende
Druckluftkanal ist in 3 als 308 gezeigt.
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Von 308 wird
die Luft durch einen Spalt zwischen Einsatz dem 204 und
dem Pistolenkörper durch
eine Vielzahl von Luftschlitzen 309a-f geleitet, die in
einem aus elektrisch leitendem Kunststoff hergestellten Elektrodenaufnahmering 304 ausgebildet sind.
Die Luftschlitze 309a-f leiten die Druckluft in eine Aussparung 307,
die an der inneren Oberfläche des
Rings 304 ausgebildet ist. Die Aussparung 307 veranlasst
wiederum die Luft zum Eindringen in die Luftkanäle 306a-f, was eine
tangentiale Leitung der Luft in die Ladungskammer 202 verursacht.
Die Vielzahl von tangentialen Kanälen ist in der Anzahl gleich der
Vielzahl von internen Nadelladungselektroden 302a-f. In
dem in 3 gezeigten Beispiel gibt es sechs Nadelelektroden
und sechs tangentiale Luftkanäle.
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Die
internen Nadelektroden 302 treten radial in die Kammer 202 mittels
eines leitenden Kunststoffaufnahmeringes 304 ein.
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Eine
wichtige Eigenschaft der Luftkanäle 306a-f
ist die gleichzeitige Doppelfunktion derselben, (a) den Pulverpartikeln
die gewünschte
Wirbelbewegung mitzugeben, wenn sie in den Wirbel-Trichteraußenring 104 eintreten,
und (b) eine Abführluftquelle zum
Säubern
der dem Inneren der Ladungskammer 202 ausgesetzten Teile
der Nadelelektroden 302 bereitzustellen.
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Der
leitende Kunststoffring 304 ist mittels eines Hochspannungsleiters 208 mit
der Hochspannungskaskade (oder dem Gleichspannungswandler) 206 gekoppelt,
der, wie in 2 am besten gezeigt ist, zur
Kopplung mit einer Potentialquelle am ersten Endes des Körpers 106 angepasst
ist.
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Der
Wirbel-Trichteraußenring
oder die Ausgangskammer 104 stellt in Verbindung mit der
Außenringhalterung 102 eine
kegelstumpfartige Ausgangswand bereit, die einen trichterförmigen,
einen Winkel vorzugsweise der Größenordnung
von etwa 120° bis
180° formenden
Auslass bildet. Der trichterförmige
Auslass weist vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 25 mm
bis ungefähr 70
mm auf.
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Die
trichterförmige
Ausgangswand ist aus einem radial inneren Teil 105a, das
von dem Trichteraußenring 102 beigetragen
wird, und einem radial äußeren Teil 105b,
das von der Außenringhalterung 102 bereitgestellt
wird, gebildet. Daher kann durch Wechseln zwischen verschieden großen und/oder gewinkelten
Außenringhalterungen
die Gesamtdimension und/oder -form des trichterförmigen Ausgangs variiert werden,
um eine Vielzahl von Pulvermustern am Pistolenausgang zu erzeugen.
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Die
Ladungskammer 202 hat in Längsrichtung eine Länge vorzugsweise
in der Größenordnung von
ungefähr
70 bis 150 mm, während
der Durchmesser der Kammer 202 zwischen ungefähr 13 mm und
20 mm liegt, mit einem bevorzugten Durchmesserbereich in der Größenordnung
von 15 mm bis 17 mm.
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Zusätzlich zu
oder optional anstelle der internen Ladungselektroden 302a-f
erstreckt sich eine Vielzahl von externen Ladungsnadelelektroden 214 von
einem leitenden Kunststoffring 210, der die Kammer 202 umgibt,
und dann durch den Wirbel-Trichteraußenring 104 zu
einem Punkt außerhalb
des trichterförmigen
Auslasses. Diese Anordnung ist am besten in 2 gezeigt.
Die externen Ladungselektroden 214 sorgen für eine elektrostatische
Feldsteuerung der austretenden Pulverwolke in Bezug auf ein zu beschichtendes
Werkstück.
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Im
Betrieb tritt ein Pulver/Luftgemisch durch den Einlass 108 in
die Ladungskammer 202 ein, in der das Pulver mittels der
Erdungselektrode 224 und der Ladungselektrodennadeln 302 elektrostatisch geladen
wird, während
es gleichzeitig durch die durch die tangentialen Führungen 306 eingeblasene Luft
in einem wirbelartigen Muster in Bewegung gesetzt wird. Die Pulverbewegung
wird außerdem
in Längsrichtung
von der Druckluft gefördert,
die in den Erdungselektroden-Abführlufteinlass 220 eindringt und
bei dem Loch (den Löchern) 226 am
Kopf der Erdungselektrode 224 in der Nähe des Einlasses 108 austritt.
Während
sich das Pulver zum Auslassende der Pistolenkammer hin bewegt, führt die
Wirbelluft ein gewünschtes
Spritzmuster herbei, das durch Steuerung des Verhältnisses
des Luftflusses in Längsrichtung
zu dem des Wirbelmusters definiert ist. Die Erfindung zieht außerdem in
Erwägung,
die tangentiale Komponente des Luftflusses zu variieren, um verschiedene
Formen von Spritzmustern und verschiedene Verweilzeiten der Pulverpartikel
zu erzeugen, wodurch die Ladungseffizienz der resultierenden Wolke,
die Weite des Sprühmusters
und die Pulverübertragungseffizienz
verbessert werden.
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Mit
der oben gezeigten und beschriebenen Pistolenanordnung wird aufgrund
der verbesserten Pulververteilung eine gleichmäßigere elektrostatische Beschichtung
bewirkt. Zusätzlich
verbessert das effizientere kontinuierliche Säubern der internen Ladungselektroden
mittels der tangentialen Lufteintrittsanschlüsse die Effizienz der internen
Ladung des Pulverbeschichtungsmaterials.
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Um
die Widerstandsfähigkeit
der Pulverspritzpistole gegenüber
Abriebschäden
vom Gebrauch von aggressiveren Pulvern zu verbessern, sind die Ausführungsformen
der 4, 5 und 6 gezeigt.
Der zentrale Punkt zum Erreichen einer verbesserten Abriebwiderstandsfähigkeit
ist, wenigstens ein Teil der Ausgangskammer und/oder der Düse der Pistole
aus einem aufprallfusionsresistenten Kunststoffmaterial herzustellen,
das härter
ist als das, welches für
den Pulverkammereinsatz 205 der Spritzpistole aus 1-3 verwendet
ist.
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In
Bezug auf 4 ist die Pulverspritzpistole 400 grundsätzlich ähnlich der
Pistole 100 aus 2, außer dass sie eine erweiterte
Wirbeldüse 430 verwendet,
die von einem auswechselbaren, die Pulverempfangskammer bildenden
Einsatz 404 getrennt ist. Die auswechselbare Wirbel- und
Ladedüse 430 ist
aus einem abriebresistenten Material hergestellt, welches vorzugsweise
härter
ist als das aufprallfusionsresistente Material, welches für den Einsatz 404 verwendet
wird. Die tangentialen Luftlöcher 406 vermitteln
dem Pulver in der Düse 430 eine
Wirbelbewegung und sorgen gleichzeitig für eine Abführ- und Reinigungsluft für die internen
Ladungsnadeln, die sich im Inneren der Düse von dem leitenden Kunststoffring 440 erstrecken.
Die Wirbelaußenringhalterung 402 ist ähnlich der
Halterung 102 aus 2. Die Wirbelflussspritzdüse 430 enthält das wirbelerzeugende
Segment in der Nähe
der tangentialen, innerhalb der Düse gebildeten Luftlöcher 406 der
Ladungskammer, und ermöglicht
ein einfacheres Ersetzen von abriebgeschädigten Düsen. Zusätzlich wird der Abrieb durch
die Verwendung von härteren
Materialien als die für
den Einsatz 404 verwendeten vermindert.
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In
Bezug auf 5 fügt die Pulverspritzpistole 500 einen
auswechselbaren, abriebresistenten Pulverwirbel- und Ladungsring 540 zwischen
den reibarmen Einsatz 504, der die Pulverempfangskammer
bildet, und eine(n) auswechselbare(n) Düse oder Wirbel-Trichteraußenring 530 hinzu,
die von der Wirbelaußenringhalterung 502 gehalten
wird.
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Wiederum
sorgen tangentiale Luftflusslöcher 506,
die in dem abriebresistenten Ring 540 gebildet sind, für Wirbelluft
für das
Pulver ebenso wie für
Reinigungsluft für
die internen Elektroden, die am leitenden Kunststoffring 550 befestigt
sind. Der Ring 540 und die Düse oder der Wirbel-Trichteraußenring 530 sind
aus einem abriebresistenten Material hergestellt, wiederum vorzugsweise
härter
als das aufprallfusionsresistente Material, welches für den Pulverempfangskammereinsatz 504 verwendet
ist.
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Der
abriebresistente Ring 540 ist das Element, das hoher Geschwindigkeit
und einem hohen Moment des Luft- und Pulverpartikelwirbelflusses ausgesetzt
ist. Das Ringsegment 540 enthält Wirbelluftlöcher 506 und
interne Ladungsnadelelektroden, die an dem leitenden Kunststoffring 550 befestigt sind.
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In
Bezug auf 6 sind der rotierende Luftstrom
und der elektrostatisch vorgeladene Pulverstrom beinahe bis zum
Ausgang der Sprühdüse 630 der
Pistole voneinander isoliert, und dann wird das Pulver dem rotierenden
Luftstrom im Ausgang/divergierenden Konus der Spritzdüse ausgesetzt.
Dies wird durch die Verwendung eines röhrenförmigen Einsatzes 610 erreicht,
der sowohl eine Pulverzentralflussröhre 611 als auch ein
Wirbelflusskreis 612 bildet, der zwischen der Wand der
Düse 630 und
dem röhrenförmigen Wirbeleinsatz 610 geformt
ist. Diese Version einer Pulverspritzpistole hat bei Prototyptests
die beste Leistung gezeigt. Ein kürzerer Einsatz 610 von
beispielsweise 2 bis 3 mm Länge
stellt den weitesten Steuerbereich für das Spritzmuster (vom engsten
zum weitesten) bereit, aber die kurze Version hat immer noch das
höchste
Risiko von Aufprallfusion oder Abrieb durch Pulver im Düsenausgangskonus.
Ein langer Einsatz 610, beispielsweise von 15 bis 20 mm
Länge,
zeigt die geringste Belastung durch Pulverabrieb oder Aufprallfunktion,
hat aber einen begrenzten Bereich der Spritzmustersteuerung (nur
große
und mittlere Spritzmusterweiten scheinen möglich). Ein Einsatz von mittlerer
Länge von
beispielsweise 5 bis 7 mm wird in den meisten Fällen als ein Kompromiss empfohlen,
um sowohl die Aufprallfunktion als auch den Abrieb einerseits zu
minimieren und andererseits die Spritzmustersteuerung zu maximieren.
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Ist
die Länge
des Einsatzes 611 einmal für eine spezifische Pulverzusammensetzung
für eine spezifische
Anwendung optimiert, ist es wünschenswert,
die Ladungskammer 604 mit dem Einsatz 611 als
eine einstückige,
auswechselbare Einheit zu integrieren, um Spalte in den Pulverpfadwänden in
der Ladungskammer zu eliminieren.
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Die
Erfindung wurde in Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform
beschrieben, deren Details nur beispielhaft zu sehen sind. Der Bereich
und der Gedanke der Erfindung sind in angemessen zu interpretierenden
Ansprüchen
dargelegt.