DE2339127A1

DE2339127A1 - Vorrichtung zum spruehbeschichten

Info

Publication number: DE2339127A1
Application number: DE2339127A
Authority: DE
Inventors: Peter L Duffield
Original assignee: Mead Corp
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1974-02-14
Also published as: IT992317B; GB1436216A; US3970222A; CA974293A; JPS4952008A; DE2339127B2; JPS5424660B2; DE2339127C3

Description

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The Mead Corporation, Dayton (Ohio, USA)

Vorrichtung zum Sprühbeschichten

Die US-Patentschriften Ho.3 560 6Ul, 3 586

und 3 661 304 beschreiben Beschichtungsvorrichtungen, welche ohne Kontakt funktionierende Beschichtungsvorrichtungen sind, und bei denen ein flüssiges Beschichtungsmaterial, wie z.B. Tinte unter Druck zu einem Verteiler gepumpt wird, welcher mit einer Reihe von Oeffnungen mit kleinem Durchmesser in Verbindung steht. Wenn das Beschichtungsmaterial durch die Oeffnungen unter Druck ausgespritzt wird, bilden sich feine Fäden von Beschichtungsmaterial, welche sich in eine Reihe von einzelnen Tropfen aufspalten. An der Stelle, wo die Tropfen sich von den Fäden abspalten, gehen sie durch Aufladeringe, welche je nach dem gewünschten Muster des Beschichtungsmaterials auf einem Aufnahmeorgan jedem einzelnen Tropfen des Beschichtungsmaterials entweder eine Ladung erteilt oder nicht erteilt.

Stromabwärts von den Aufladeringen, ist ein elektrostatisches Ablenkungsfeld vorgesehen und alle Tropfen, welche während des Durchganges durch die Aufladeringe eine Ladung erhalten, werden von ihrer Bahn durch das Ablenkungsfeld abgelenkt. Ein Auffänger ist ebenfalls mit der Vorrichtung verbunden um jene Tropfen aufzufangen, welche das Aufnahmeorgan nicht errei-

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chen sollen. In dieser Weise kann das Aufnahmeorgan mustermässig beschichtet werden.

Zum Betrieb der Vorrichtung zur Tropfenerzeugung dieser Art, braucht es einen Drucks welcher nachfolgend als Arbeitsdruck bezeichnet wird, um einen Faden mit ausreichen-Gechwindigkeit zu produzieren, damit Kräfte, wie z.B. Oberflächenspannung überwunden werden können, welche den Fluss des Beschichtungsmaterials durch die Oeffnungen verzögert. Wenn der Fluss des Beschichtungsmaterials zur Vorrichtung durch Oeffnen eines Zufuhrrohres zum Verteiler beginnt ist es ersichtlich, dass der Druck in der Vorrichtung von Null bis zum Arbeitsdruck ansteigt, während einer begrenzten Zeitperiode.

Während dieser Periode, wenn der Druck, welcher auf das Beschichtungsmaterial ausgeübt wird, noch nicht den Arbeitsdruck erreicht hat, entsteht kein freier Strahl, aber eine pendelartige Masse von Beschichtungsmaterial wird sich an den Oeffnungen ansammeln, welche flüssiges Beschichtungsmaterial ablässt. Wenn der Druck, der auf das Beschichtungsmaterial ausgeübt wird, ansteigt, entsteht möglicherweise ein Strahl innerhalb der Flüssigkeitsmasse und schliesslich bricht die Masse ab, und eine Stabilisierung erfolgt erst nachdem die überschüssige Flüssigkeit an den Oeffnungen abgezogen ist, nämlich durch Mitführung im Strahl.

Dies entsteht natürlich nicht nur bei einem

langen Startvorgang, sondern auch beim Herausspritzen des Beschichtungsmaterials und die Ansammlung dieses Materials auf den Bestandteilen der Vorrichtung. Da das Beschichtungsmaterial elektrisch leitend ist, kann dies zu einem Kurzschluss in verschiedenen Bestandteilen führen, wie z.B. Aufladeringe und Ablenkelektroden. Zudem lässt die Verdampfung des Beschichtungsmaterials einen Rest auf den Komponenten der Vorrichtung zurück, welcher möglicherweise die Arbeitsweise der Vorrichtung beein-

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flusst.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung und

beim erfindungsgemässen Verfahren berührt das Beschichtungsmaterial die fadenbildenden Oeffnungen nicht, bis der Druck, der zur Bildung eines freien Fadens des Beschichtungsmaterials notwendig ist, im Verteiler erreicht worden ist. Dies wird durch Unterdrucksetzung des Verteilers erreicht, bis zu einem Druck, der mindestens dem Arbeitsdruck entspricht oder wesentlich darüber liegt, welcher erforderlich ist, um einen freistehenden Faden des Beschichtungsmaterials zu produzieren. Die Unterdrucksetzung des Verteilers erfolgt durch Zuführung des Beschichtungsmaterials zum Verteiler mit einer Geschwindigkeit, die grosser ist als die Geschwindigkeit der entweichenden Luft durch die Oeffnungen. Ein Kompressionsraum ist vorgesehen, um die erforderliche Unterdrucksetzung zu bewerkstelligen, bevor das Beschichtungsmaterial zu den Oeffnungen fliesst. Danach, wenn das Beschichtungsmaterial zu den Oeffnungen fliesst bei Arbeitsdruck oder bei einem Druck der darüber liegt, bilden sich sofort freistehende Fäden, die bei den Oeffnungen beginnen und welche sich in eine Reihe von Tropfen abspalten. Bei diesem Verfahren wird vor allem vermieden, dass sich pendelartige Massen von Beschichtungsmaterial an den Oeffnungen festsetzen, sowie dass einzelne Komponenten der Vorrichtung, verunreinigt werden.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich

tung zur Tropfenerzeugung, gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der

Fig. 1,

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Fig. 3 einen vergrösserten Querschnitt des Eintritts

endes der Lochplatte, gerade bevor Beschichtungsmaterial eintrifft,

Fig. 4 einen vergrösserten Querschnitt, der die Bil

dung der Fäden und der Tropfen gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 5 einen vergrösserten Querschnitt, der die Bil

dung der Beschichtungsmaterialansammlungen darstellt, was dann zustandekommt, wenn der Druck an den Oeffnungen schrittweise ansteigt. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zur

Tropfenerzeugung gemäss der vorliegenden Erfindung, welche einen Verteiler 12 mit einer inneren Kammer aufweist. Unter dem Verteiler 12 ist eine Lochplatte 16 angeordnet, eine Distanzplatte 18, eine Aufladeringplatte 20, zwei Ablenkelektroden 22, die mit der Aufladeringplatte in 23 verbunden sind, ein Auffänger 24, der von den Elektroden durch die Organe 26 beabstandet ist.

Das Beschichtungsmaterxal, das in die Kammer 14 geleitet wird, wird durch die Oeffnungen 45 ausgespritzt, und bildet feine Fäden, welche sich in einzelne Tropfen abspalten unter Mitwirkung eines Stimulators (nicht gezeigt). Es ist erwünscht, dass wenn den einzelnen Tropfen eine Ladung erteilt wird, dass dies an der Stelle geschieht, wo die Tropfen sich von den Fäden abspalten. Die Distanzplatte 18, die eine Reihe von Oeffnungen 30 aufweist, beabstandet die Aufladeringplatte 20 in einem geeigneten Abstand von der Lochplatte 16, so dass die Aufladeringe 32 jeden der Tropfen des Beschichtungsmaterials aufIa-

den, gerade dann wenn sie sich von den Fäden abspalten.

Danach lenken die Elektroden 22 alle aufgeladenen Tropfen gegen eine Schaufel 34 des Auffängers 24 ab, während die nicht aufgeladenen Tropfen auf dem Aufnahmeteil 36 auftreffen und in irgend einer herkömmlichen Art entlang der

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Vorrichtung zur Tropfenerzeugung befördert werden, wie dies mit dem Pfeil in der Fig. 2 dargestellt ist. Die eben erfolgte Beschreibung bildet eine Zusammenfassung und für detailliertere Ausführungen wird auf die schon oben erwähnten Patentschriften 3 560 6Ul und 3 586 907 verwiesen.

Gemäss der vorliegenden Erfindung erfolgt die

Zuführung des Beschichtungsmaterials zur Kammer 14 durch.Oeffnen eines Ventils von der Quelle und es braucht eine gewisse Zeit, bis der Druck in der Kammer 14 zum Arbeitsdruck angestiegen ist, d.h. zum Druck bei welchem das Beschichtungsmaterial Kräfte wie z.B. Oberflächenspannung überwindet, welche den Fluss des Beschichtungsmaterials durch die Oeffnungen verzögern.

Solange bis der Druck zum Arbeitsdruck ansteigt

neigt das Beschichtungsmaterial dazu pendeiförmige Massen zu bilden, wie dies mit der Bezugsziffer 38 in der Fig. 5 dargestellt ist, welche Beschichtungsmaterial ablässt, und andere Komponenten der Vorrichtung, wie z.B. Aufladeringe 32 verunreinigt. Um dies zu vermeiden wird die Kammer 14 unter Druck gesetzt mittels einer einlaufenden Menge Beschichtungsmaterial.

Die Unterdrucksetzung wird durch Schliessen des Ventils 41 beendigt und durch das Oeffnen des Ventils 42 um das Beschichtungsmaterial 44 in das System einströmen zu lassen. (Das Ventil 41 führt zu einer Vakuumleitung, welche für das Abstellen und die Reinigung des Systems verwendet wird). Das Beschichtungsmaterial 44 fliesst zuerst durch das Ventil 42 danach durch das Sieb 43 um irgendwelche eingeschlossene Teilchen zu entfernen. Danach strömt das Beschichtungsmaterial 44 in den Kontpressionsraum 40 und stösst eingeschlossene Luft vor sich her.

Die Luft in der Kammer 14 ist nicht ganz eingeschlossen, wegen der Entweichungskanäle, die durch die Oeffnungen 45 vorgesehen sind. Die Geschwindigkeit, mit welcher die Luft durch die Oeffnungen 45 entweicht, hängt von der Gesamtfläche

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aller Oeffnungen in der Lochplatte 16 ab und auch vom Druck der Luft in der Kammer 14. Anfänglich weist die Kammer 14 einen Atmosphärendruck: auf, so dass keine Luft durch die Oeffnungen 45 strömt. Wenn das Beschichtungsmaterial 44 in den Kompressionsraum 40 eindringt, beginnt die Luft sich zu verdichten. Diese Verdichtung erhöht den Druck der Luft in den Kammern 40 und 14 auf einen Druck, der über dem Atmosphärendruck liegt, so dass durch die Oeffnungen 44 die Luft zu entweichen beginnt. Die Oeffnungen 45 sind sehr klein (1-2 Mils) und deshalb kann die Luft nicht so schnell entweichen als wie sie durch das eindringende Beschichtungsmaterial verschoben wird. Das bedeutet dass der Druck, der Luft in der Kammer 14 weiter ansteigt.

Gemäss der vorliegenden Erfindung, wird das

Beschichtungsmaterial 4Ί in die Kammer 40 schnell genug eingelassen um die Luft innerhalb der Kammer 14 unter Druck zu setzen, nämlich unter einen Druck, der über dem Arbeitsdruck liegt. Darüberhinaus ist die Kammer 40 gross genug um eine Unterdrucksetzung zu ermöglichen, bevor das Beschichtungsmaterial 44 an der ersten Oeffnung 45A (Fig. 3) ankommt. Da die Luft in der Kammer 14 einen Druck, der über dem Arbeitsdruck liegt, erreicht, bevor das Beschichtungsmaterial an der Oeffnung 45A ankommt, weist das Beschichtungsmaterial an der Stirnfläche des einströmenden Flüssigkeitsstromes ähnlicherweise einen Druck auf, der über dem Arbeitsdruck liegt. Das bedeutet, dass wenn das Beschichtungsmaterial die Oeffnung 45A erreicht, dann fliesst es durch die Oeffnung hindurch ohne an der Abflussseite der Lochplatte 16 Tropfen zu bilden. Unmittelbar danach bildet sich ein Faden 46 und dieser Faden spaltet sich in Tropfen 47 auf. In der Zwischenzeit fliesst das Beschichtungsmaterial 44 weiter entlang der Lochplatte 16 und erreicht andere Oeffnungen, wo sieh die Strahlbildung wiederholt.

Es ist notwendig, dass zwei Dinge beachtet

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werden. Erstens muss das Beschichtungsmedium 44 schnell genug zum System zugeführt werden, um'die entweichende Luft zu ersetzen und eine Unterdrucksetzung zu bewerkstelligen. Zweitens muss das Volumen des Kompressionsraumes UO gross genug sein, um die Unterdrucksetzung, zu ermöglichen, bevor das Beschichtungsmedium bei der ersten Oeffnung 45A ankommt. Eine ausführliche Erklärung folgt in der nachfolgenden Analyse.

Angenommen,dass das gesamte System mit dem

Verteiler IU und dem Kompressionsraum ein Volumen V aufweist, dann ist das Volumen der Luft innerhalb des Systems für eine beliebige Zeit t nach der Inbetriebsetzung durch die folgende Gleichung gegeben:

V. = V - V₁.
AoL

Vj entspricht dem Volumen, das vom einströmenden flüssigen Beschichtungsmaterial eingenommen wird. Wenn Luft durch die Oeffnungen während der Inbetriebsetzung in einer Volumenmenge Q. entweicht und das Beschichtungsmedium mit einer Geschwindigkeit Q_T einströmt, dann kann man die Zustandsgieichungen aufstellen und es stellt sich heraus, dass der Luftdruck im Verteiler zu jeder Zeit t durch die Gleichung (1) gegeben ist. ρ entspricht dem anfänglichen Luftdruck im Verteiler, ρ entspricht auch dem Atmosphärendruck ausserhalb der Vorrichtung zur Tropfenerzeugung. Q_T ist nahezu konstant, nimmt jedoch leicht in Funktion der Zeit ab.

Um eine tropfenfreie Inbetriebnahme zu ermöglichen, muss ρ mindestens dem minimalen Arbeitsdruck ρ entsprechen, wenn das Beschichtungsmaterial die erste Oeffnung erreicht. Dieser Druck p_s wird nachfolgend als jener Druck bezeichnet, der zur Bildung des Flüssigkeitsstrahles notwendig ist. Das Beschichtungsmaterial läuft ein bei einem Flüssigdruck P_T und trifft auf die Luft, die einen Druck ρ aufweist,

Li *Ο

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worauf das Beschichtungsmaterial den Kontpressionsraum 40 füllt, während es die Luft vor sich her stösst. Das Volumen V des

Kompressionsräumes 40 muss gross genug sein, um eine Verdichtung der Luft vom Druck ρ auf einen Druck ρ zu ermöglichen, während ein Teil der Luft durch die Oeffnungen entweicht.

Das notwendige Volumen für die Kammer 40 kann

so bestimmt werden, dass der Ausdruck V_T = V und ρ = ρ im oben

L c ^{r c}s

erwähnten Ausdruck bleibt, und die kleine Aenderung in Q_T vernachlässigt wird, und indem man annimmt, dass Q_A sich linear in Funtion der Zeit ändert, so dass Formel (2) Gültigkeit hat. Wobei Q. ein Mittelwert von Q_A entspricht zwischen der Zeit ο und der Zeit t.

Durch Umformen der oberen Gleichung ergibt

sich Gleichung (3), daraus ergibt sich Gleichung (4) oder für das Volumen des Verteilers V ergibt sich Gleichung (5), wobei V = V +V mit der einzigen Unbekannten Q. entspricht.

Im allgemeinen ist Q. durch die Gleichung (6)

gegeben, wobei A. der Gesamtfläche aller Oeffnungen entspricht und konstant ist, j> entspricht der Dichte der Luft bei einem Druck p. Für den linearen Anstieg des Luftdruckes vom Druck ρ zum Druck ρ gilt Gleichung (7), wobei $ -in diesem Fall den Wert von ζ> bezeichnet, wenn ρ = ρ .

Für V wird nun Q. gesetzt und ergibt Gleichung (8), daraus ergibt sich dass der Kompressionsraum 40 ein Volumen einnehmen muss, das teilweise von der Geschwindigkeit der Beschichtungsmaterialzufuhr Q_T abhängt.

JlJ

Q_T hat einen minimalen Wert, welcher dadurch

bestimmt werden kann, dass das Beschichtungsmaterial in das System mit einer Geschwindigkeit einströmen muss, die mindestens gross genug ist, um entweichende Luft zu ersetzen wenn der Druck ρ den Druck ρ erreicht. Daraus ergibt sich Gleichung (9).

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Im allgemeinen ist Q_T eine Funktion des Zu-

fuhrdruckes und des Druckabfalls innerhalb des Systems. Für das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist der bedeutendste Druckabfall entlang des Filters 43. Dieser Abfall kann durch Erhöhen des offenen Bereiches des Filters minimalisiert werden. Die Filtererforderungen jedoch beschränken die Filteröffnungen auf eine maximale Grosse, welche ein bisschen kleiner ist als die Grosse der Oeffnungen 45, so dass der offene Bereich,des Filters so gewonnen werden kann, wenn das Filter 43 übergross gebaut wird, wie dies dargestellt ist. Vorzugsweise sollte das Filter 43 ein bisschen im Uebermass sein, so dass Q_T minimalisiert wird und dabei das erforderliche Volumen für den Kompressionsraum 40 reduziert wird.

Im Zusammenhang mit dem oben erwähnten erreicht

man mit einem Filter, dessen offener Bereich 0,015 ft entspricht und einen Durchflusskoeffizienten von ungefährt 0,6 aufweist eine Geschwindigkeit des Beschichtungsmediums von ungefähr 0,43 ft /sec und einen Druckabfall von ungefähr 15 psi. Wird der Wert 15 psi für ρ und 30 psia für ρ verwendet sowie eine Lochplatte mit 625 zwei Mil Oeffnungen, so zeigt die oben erwähnte Gleichung für V , dass eine tropfenfreie Inbetriebsetzung erreicht werden kann, wenn V = 1,7 V .

cm

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Claims

Patentansprüche

IJ Vorrichtung zum Sprühbeschichten, mit einem Düsenkopf, der» eine Vielzahl von Oeffnungen und einen Verteiler für die Zuführung des flüssigen Beschichtungsmaterials zu den genannten Oeffnungen aufweist, gekennzeichnet durch

a) Mittel für die Zuführung des genannten Beschichtungsmaterials bei einem Druck, der grosser ist als der erforderliche Druck für die flüssige Strahlbildung an der» Abflussseite der Oeffnungen und bei einer Volumenmenge, die grosser ist als die Volumenmenge Luft, die durch all diese genannten Oeffnungen entweicht beim genannten Druck, der zur Bildung des Flüssigkeitsstrahles notwendig ist, und

b) einen Kompressionsraum, zwischen dem genannten Zuführmittel und dem genannten Verteiler, wobei dieser Kompressionsraum ein ausreichendes Volumen aufweist, um dem einlaufenden Beschichtungsmaterial zu ermöglichen, dass die entweichende Luft innerhalb des Raumes und des Verteilers verdichtet wird, vom Atmosphärendruck zum Druck, der für die Bildung des Flüssigkeitsstrahles notwendig ist, bevor das Beschichtungsmaterial bei irgend einer Oeffnung ankommt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filtersieb an der Berührungsfläche zwischen dem Zuführorgan und dem Kompressionsraum angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., dass der Kompressionsraum ein Volumen aufweist, das mindestens 1,7 mal grosser ist als das Volumen des Verteilers.

U. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel für das Abbrechen des Stromes des Beschichtungsmaterials zum Kompressionsraum angeordnet sind, und dass

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Mittel für die Entleerung des Beschichtungsmaterials vom Kompressionsraum und vom Verteiler anschliessend an das Abbrechen des Strahles vorhanden sind.

5. Vorrichtung für die Zuführung eines flüssigen Beschichtungsmaterials zu einem Verteiler in einer Vorrichtung zum Sprühbeschichten, gekennzeichnet durch

a) Mittel für die Zuführung des Beschichtungsmaterials bei einem Druck der grosser ist als der erforderliche Druck für die Bildung eines Flüssigkeitsstrahles an der Abflussseite der Oeffnungen, und bei einer Volumenmenge, die mindestens so gross ist, wie

^Aj y .

wobei A. die Gesamtfläche der Oeffnungen darstellt, ρ = erforderlicher Druck für die Bildung des Flüssigkeits-Strahles

ρ = anfänglicher Luftdruck im Verteiler λ = Dichtigkeit der Luft im Verteiler bei einem Druck p_s und

b) durch einen Kompressionsraum, zwischen den

Zuführorganen und dem genannten Verteiler, wobei der genannte Kompressionsraum ein Volumen aufweist, das mindestens

beträgt,

wobei V = Volumen des Verteilers
m .

Q = Strömungsgeschwindigkeit der Beschichtungsflüssxgkeit.

6. Vorrichtung zum Sprühbeschichten, in welcher eine Beschichtungsflüssigkext zu einer Oeffnung geführt

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wird, von der sie als Flüssigkeitsstrahl ausgespritzt wird, und in welcher ein Kanal zur genannten Oeffnung führt, welche anfänglich mit Luft bei Atmosphärendruck gefüllt ist, wobei das Verfahren zur Einleitung des Beschichtungsflüssigkeitsstromes zu der Oeffnung dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Zufuhr des Beschichtungsmaterials vorgesehen ist, bei einem Druck, der über dem minimalen Druck zur Bildung des Flüssigkeitsstrahles liegt, durch die Zulassung der Beschxchtungsflüssigkext in den genannten Kanal, und durch Einschliessen der Luft in den genannten Kanal während die Flüssigkeit zugelassen wird, wobei die Luft durch die Flüssigkeit unter einen Druck gesetzt wird, der grosser ist als der Minimaldruck, der zur Bildung des Strahles notwendig ist, bevor die Flüssigkeit bei der Oeffnung ankoramt.

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