DE2758277A1

DE2758277A1 - Geraet zum elektrostatischen spritzbeschichten

Info

Publication number: DE2758277A1
Application number: DE19772758277
Authority: DE
Inventors: David H Malcolm
Original assignee: Electrogasdynamics Inc
Current assignee: Graco Inc
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1978-07-06
Also published as: CH624317A5; IT1111380B; FR2374964A1; AU3202877A; FR2374964B1; BR7708642A; JPS5392850A; AU520696B2; GB1597349A; JPS642430B2; DE2758277C2

Description

Electrogasdynamlcs, Inc.
6 Litteil Road
Hanover, New Jersey 07936
V.St.A. ,

Gerät zum elektrostatischen Spritzbeschichten,

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen und Anlagen, in denen die Abscheidung von Auftragsmaterial auf ein Werkstück durch Anwendung elektrostatischer Kräfte verbessert wird, insbesondere auf ein verbessertes Farbspritzgerät mit eingebauter unabhängiger Energieversorgung.

Einrichtungen zum elektrostatischen Spritzbeschichten mit Luftzerstäubung oder luftlos arbeitend, werden in großem Umfang zum Farbspritzen und zum Abscheiden von sonstigen Beschichtungsmaterialien benutzt. Die dabei im allgemeinen eingesetzten Spritzpistolen bestehen üblicherweise aus einem isolierenden Gefäß mit geerdetem Handgriff an seinem einen Ende und nach Größe und Form geeignet ausgebildeter Hochspannungselektrode, die aus dem anderen Ende vorsteht und nahe dem Zerstäbungspunkt angeordnet ist. Derartige Elektroden werden im allgemeinen auf ein Potential zwischen etwa 30 und 85 kV, in manchen Anlagen bis zu 150 kV gebracht, so daß eine Koronaentladung auftreten und gleichzeitig ein elektrisches Feld beträchtlicher Stärke entstehen kann. Unter diesen Umständen läßt der von der Hochspannungselektrode ausgehende Koronaentladungsstrom eine in der Nähe des

809827/092Ö

Zerstäubungspunkts liegende Zone entstehen, In der eine Anreicherung von unipolaren Ionen stattfindet, die sich an die Farbpartikel oder die Tröpfchen des sonstigen Beschichtungsmaterials anlagern. Andererseits kann in dem Bereich hoher Feldstärke um die Fluidöffnung auch eine Kontaktaufladung von leitendem Beschichtungsmaterial stattfinden. Die geladenen Tröpfchen werden dann unter der kombinierten Wirkung ihrer eigenen Trägheitskräfte und des in der Zerstäubungsregion herrschenden elektrostatischen Feldes in Richtung auf das geerdete Werkstück bewegt. Gemäß der üblichen Arbeitsweise ergibt sich eine größtmögliche Farbersparnis, wenn man die Ladespannung so hoch wie möglich und so groß wählt, daß sich eine durchschnittliche Abscheidefeldstärke von mindestens 2000 V/cm (5000 V/inch), vorzugsweise von 40OO V/cm (10 000 V/inch) zwischen der Spritzpistole und dem Werkstück einstellt. Gleichzeitig sollte die Spritzgeschwindigkeit nahe dem Werkstück so niedrig sein, wie es mit den Forderungen nach gleichmässiger Zerstäubung und Farbstoffluß nur vereinbar ist.

Die erforderlichen Ladespannungen werden üblicherweise entweder durch aussenliegende Hochspannungserzeugungsanlagen oder durch den Einbau eines elektrogasdynamischen Hochspannungsgenerators in das Spritzpistolengehäuse erzeugt. Die normalen Hochspannungserzeugungsanlagen sind verhältnismässig groß, schwer und kostspielig und sind so aufgebaut, daß sie an sich gleichspannungsartige Hochspannung erzeugen. Ausserdem ist wegen der Höhe der in Frage kommenden Potentiale das Hochspannungskabel zwischen dieser Hochspannungsanlage und der Spritzpistole schwer, erfordert Platz und ist verhältnismässig wenig biegsam; es macht die eigentliche Pistole, die wegen der gleichzeitig erforderlichen Hochspannungsisolierung eine

809827/0928

ungünstige Größe und einen komplizierten Aufbau erhält und am Arbeitsplatz kaum gewartet werden kann, unerwünscht schwer.

Die elektrogasdynamisch angetriebenen Spritzbeschichtungsgeräte haben zwar einige Vorteile gegenüber den üblichen Hochspannungsversorgungen, sie machen aber normalerweise die Erzeugung einer relativ niedrigen, aber immer noch mehrere Kilovolt betragenden äusseren Erregerspannungen für den im Spritzgerät enthaltenen elektrogasdynamischen Generator nötig und erfordern daher eine an den Spritzkopf angeschlossene Energiezufuhr und sind auf die Versorgung von vorkonditionierter oder "kernreicher' Druckluft angewiesen, wenn ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet sein soll.

Das Bestreben ist alt, von der "kernreichen" Druckluft unabhängig zu sein und alle äusseren Energiezufuhren so gering wie möglich zu halten oder sie ebenso wie die dazugehörigen elektrischen Zuleitungen zu dem elektrostatischen Spritzgerät ganz weglassen zu können. Die einander entgegengesetzten Forderungen nach hohen Arbeitspotentialen, verbunden mit Strombegrenzung oder Gleichstromeigenschaften, die erforderliche Verwendung von üblichen Drucklufteinrichtungen und das Vermeiden von schädlichen Entladungspotentialen, und zwar alles unter dem Gesichtspunkt niedriger Gewichte, geringer Abmessungen und langdauernden störungsfreien Betriebes, haben trotz verschiedener für diese Probleme vorgeschlagener Lösungen lange Zeit hindurch die praktische Verwirklichung dieser Forderungen verhindert.

Die Erfindung kann kurz als eine verbesserte Konstruktion eines elektrostatischen Spritzbeschichtungsgeräts mit vollständig unabhängiger elektrischer Energieversorgung

809827/09?*

bezeichnet werden, wobei, ganz allgemein gesagt, eine Einrichtung vorgesehen 1st, die die kinetische Energie eines bewegten Luftstroms in kinetische Energie eines rotierenden festen Körpers umsetzt, sowie eine Einrichtung zum Umwandeln der letztgenannten Energie in elektrische Energie, die zur Anwendung in der Aufladungselektrode in der Spritzeinrichtung geeignet ist. Dementsprechend umfaßt die Erfindung, allgemein ausgedrückt, einen druckluftbetriebenen Wechselstromerzeuger, einen Gleichrichter und einen Spannungsregler zum Umwandeln des Wechselstromerzeugerausgangs in einen praktisch konstanten Gleichspannungseingang für einen Hochfrequenzoszillator und einen mehrstufigen Spannungsverstärker zum weiteren Erhöhen der Größe der transformierten Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators und zum Umwandeln dieser Ausgangsspannung in ein 30 bis 1OO kV-Potential, wie es üblicherweise erforderlich ist, um die elektrostatisch verstärkte Abscheidung von Beschichtungsmaterial zu verbessern. Genauer gesagt, sieht die Erfindung einen Spritzkopf vor, der eine unabhängige Energieversorgung aus einem sehneHäufenden, impulsartig anlaufenden Druckluftmotor geringer Trägheit, der einen Niederspannungsstromerzeuger mit Magnetanker unmittelbar antreibt, einen Festkörpergleichrichter und einen Spannungsregler, der den Stromerzeugerausgang in einen praktisch konstanten Gleichspannungseingang für einen Hochfrequenzoszillator umwandelt, aufweist, der einen hochtransformierten, im wesentlichen Rechteckwellen- oder Sinuswellen-Ausgang von etwa 2,5 kV Spitze liefert, ferner einen mehrstufigen Festkörper spannungsverstärker, der übliche 5 kV-Komponenten zur Erhöhung der Größe der transformierten Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators in den Bereich von 30 bis 100 kV anwendet, die zur Herbeiführung der elektrostatisch verstärkten Abscheidung von Beschichtungsmaterial erforderlich sind.

809827/0928

In ganz spezieller Welse besteht die vorliegende Erfindung In der Auswahl und Kombination von äusserst kleinen und leichten Komponenten, die im Rahmen von mechanischen und elektrischen Betriebsparametern arbeiten, nach denen ein betriebsfähiges leichtes elektrostatisches Spritzpistolengerät entsteht, das mit üblicher, im Betrieb vorhandener Druckluft als Hauptantriebsmittel arbeitet und die üblicherweise verwendeten Ausgangsspannungen für das Farbspritzen und vergleichbare Vorgänge bei annehmbar niedrigen Stromwerten liefert.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist in der leichten und äusserst kleinen und leicht zu handhabenden elektrostatischen Spritzpistole zu sehen, die keinerlei von aussen kommende elektrische Verbindungsleitungen aufweist und ein unabhängiges System zur elektrischen Stromerzeugung für ein elektrostatisches Spritzbeschichtungsgerät enthält und die ihre elektrische Energie ausschließlich durch unmittelbare Umwandlung von kinetischer Energie eines bewegten Druckluftstroms bezieht. Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehurt ausserdem die Bereitstellung einer unabhängigen Hochspannungsenergieversorgung für elektrostatische Farbspritzpistolen, einer Energieversorgung, die aus üblichen Druckluftquellen gespeist wird und leicht erhaltliche elektrische Bauteile verwendet, die Bereitstellung einer äusserst kleinen, dauerhaften und betriebssicheren Hochspannungsenergieversorgung, die Ausgangsspannungen von 30 bis 100 kV bei einer Stromstärke von gröBenordnungsmässig 50 ,uA liefert, und die Bereitstellung einer betriebssicheren Hochspannungsenergieversorgung, die in einer Handspritzpistole untergebracht werden kann, ohne deren Gewicht wesentlich zu erhöhen. Zu den sonstigen Vorteilen der Erfindung ist die Bereitstellung eines elektrostatischen Spritzbe-

809827/09?»

Schichtungsgeräts zu rechnen, das keinerlei Zuleitungen für die Zuführung elektrischer Energie besitzt und für den Betrieb nur einer üblichen, im Betrieb verfügbaren Druckluftquelle bedarf. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist in der patronenartig ausgeführten mehrteiligen Energieversorgungseinrichtung zu sehen, die aus im wesentlichen einstückigen Unterelementen besteht, die zusammensetzbar sind und zur einfachen Wartung an der Arbeitsstelle einzeln austauschbar sind.

Nach einer praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung besitzt ein elektrostatisches Spritzpistolengerät eine völlig unabhängige elektrische Energieversorgung ohne von aussen kommende Zuleitungen und mit ganz üblichen Betriebskenndaten von etwa 30 bis 100 kV Ausgangsspannung bei etwa 50 .uA, einer Leistungsabgabe von ungefähr 3 Watt, einem Gesamtgewicht zwischen etwa 0,7 und 1,4 kg (1,5 und 3 pounds) bei Anwendung der üblichen Druckluftnetze mit

2
zwischen 1,4 und 5,6 kg/cm (20 bis 80 psig) bei einem Durchsatz von höchstens 0,13 m /min (5 scfm).

Die durch die Erfindung zu lösende wesentliche Aufgabe ist die Entwicklung eines verbesserten elektrostatischen Spritzbeschichtungsgeräts mit völlig unabhängiger elektrischer Energieversorgung.

Ferner ist die Aufgabe zu lösen, eine verbesserte Energieversorgung für die elektrostatische Beschichtung zu entwickeln, wobei die Abmessungen so kleingehalten werden müssen, daß die Einrichtung innerhalb des Spritzkopfs untergebracht und mit Druckluft betrieben werden kann.

Ferner ist die Aufgabe zu lösen, eine unabhängige und

809827/092*

verbesserte, patronenartig ausgeführte Energieversorgung für elektrostatische Spritzbeschichtungsgeräte zu entwickeln, wobei eine Wartung am Arbeitsplatz möglich sein soll.

Sonstige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den folgenden Abschnitten der Beschreibung sowie aus den Ansprüchen und aus den zugehörigen Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausfuhrungsform zeigt, in der die Erfindungsprinzipien verwirklicht sind.

Die Zeichnungen stellen dar: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht, teilweise im

Schnitt, mit der Anordnung der Elemente zur Energieversorgung innerhalb einer Handspritzpistole mit Druckluftzerstäubung;

Fig. 2 einen schematischen Vertikalschnitt eines geeigneten Druckluftmotoraufbaus;

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen geeigneten Aufbau eines einen Druckluftmotor und einen Wechselstromerzeuger umfassenden Unterelements;

Fig. 4 einen Vertikalschnitt, schematisch und leicht

vergrössert, durch einen geeigneten Aufbau eines Wechselstromerzeugers;

Fig. 5 ein Schaltschema eines Gleichrichter-Spannungsstabilisierungs-Kreises;

Fig. 6 ein Schaltschema eines Oszillator-Transformator-Kreises ;

609827/09?«

Fig. 7 ein Schaltschema eines geeigneten Spannungs-Serienverstärkers;

Fig. 8 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein Druckluftreglergerät.

Fig. 1 zeigt den allgemeinen, schematisch angegebenen Aufbau einer elektrostatischen Handspritzpistole 10 zum Farbspritzen und für vergleichbare Arbeiten, ausgeführt nach den Lehren der Erfindung. Die Spritzpistole 10 besitzt einen insgesamt zylindrischen langgestreckten Trommelteil 12 aus Isoliermaterial und einen Handgriff 14 nach Art eines Pistolengriffs aus leitendem Werkstoff; das obere Ende des Griffs umgibt das hintere Ende des Trommelabschnitts 12. Ein an eine (nicht gezeichnete) entfernt befindliche Druckluftquelle, am besten ein übliches Druckluftnetz für Druckluft von etwa 1,4 bis 5,6 kg/cm² (20 bis 80 psig) oder mehr, Durchsatz mindestens etwa 0,08 m / min (3 scfm), anschließbarer Luftschlauch 16 ist mit einem Nippel 18 unten an den Griff 14 gesetzt.

Wie Fig. 1 deutlich erkennen läßt, unterscheidet sich die nach der Lehre der Erfindung aufgebaute Spritzpistole 10 von Spritzpistolen, wie sie üblicherweise bei Druckluft-Zerstäubungs- und bei luftfrei arbeitenden elektrostatischen Spritzbeschichtungsanlagen verwendet werden, insofern, als zu der Pistole nur eine Farbzuführungsleitung 38, eine Druckluftleitung 16 und eine Erdleitung führen und keinerlei elektrische Stromversorgungszuleitungen vorgesehen sind. Die vorliegende Konstruktion macht somit alle bislang erforderlich gewesenen großen, schweren, auf dem Boden stehenden elektronischen Stromversorgungsanlagen

809827/0920

und die zugehörigen schweren und verhältnismäßig starren Isolierten Leitungen entbehrlich, die zur Übertragung des ausserhalb des Geräts erzeugten Aufladepotentials auf die Spritzpistole erforderlich waren, und ebenso die Druckluftzuführung und die isolierten Leitungen, die normalerweise üblich waren, um die Erregerspannungen in die elektrogasdynamisch betriebenen Spritzpistolenanlagen zu übertragen.

Im Handgriff 14 ist eine Luftleitung 20 ausgespart, die an ein Strömungsregelventil 22 geführt ist, das von dem Benutzer durch einen Drücker 24 betätigt wird. Auf der Ausgangsseite des Strömungsregelventils 22 schließt sich eine Leitung 26 an, die in Strömungsverbindung mit einer Hauptluftleitung 30 und einer Hilfsluftleitung 28 innerhalb der Trommel 12 der Spritzpistole verlaufen. Die Hauptluftleitung 30 dient (bei einer Druckluftzerstäubungspistole der beschriebenen Art) zur Förderung eines Druckluft Stroms in eine Druckluftkappe 32, in der, wie durch die Zweigleitungen 34 und 36 angedeutet, die Druckluft zur üblichen Druckluftzerstäubung des üblichen Beschichtungsmaterials dienen kann, das aus einem aussenliegenden Vorratsgefäß durch einen Schlauch 38 und den Nippel 40 herangeführt werden kann und über die Leitung 42 in die Kappe 32 gelangt, und/oder welche Druckluft als "Gebläseluft" zum Formen des ausgestoßenen Strahls des zerstäubten Beschichtungsmaterials dienen kann.

Konstruktion und Aufbau der Druckluftkappe 32 mit ihren darin befindlichen Leitungen für Druckluft und Beschichtungsmaterial können den bekannten Bauarten entsprechen, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften 3 645 447, 3 693 877 und 3 843 052 beschrieben sind. Auch dl· in der Druckluftkappe 32 befindliche Elektrode kann nach bekann-

609827/0929

ter Art aufgebaut sein, und das Gleiche gilt für die Erdung der leitenden Teile des Griffs 14 mit Hilfe einer leitenden Hülle 44 um den Druckluftschlauch 16 oder mittels eines damit verbundenen geeigneten Erdungsleiters.

Innerhalb des Trommelteils 12 und des oberen Abschnitts des Griffteils 14 der Spritzpistole 10 befindet sich eine längliche herausnehmbare Energieversorgungspatrone 45. Die Patrone 45 enthält die nachstehend aufgeführten wirksamen Elemente der Energieversorgung und hat im wesentlichen Zylindergestalt, wobei der hintere Abschnitt 46 einen deutlich grösseren Durchmesser hat als der vordere Abschnitt 48.

Wenn die Patrone 45 in ihrer entsprechend ausgeformten Bohrung innerhalb der Spritzpistolentrommel 12 untergebracht ist, schließt die Druckluftleitung 28 unmittelbar an die Einlaßdüse 50 eines sehr kleinen Druckluftmotors 52 an und treibt dessen Rotor 56 mit hoher Geschwindigkeit. Der den Druckluftmotor 52 durchsetzende Luftstrom kann durch einen Abluftkanal 54 am hinteren Ende der Trommel 12 in die Aussenluft abgeführt werden. Der Rotor 56 des Druckluftmotors 52 sitzt auf einer Welle 58, die er mit dem Anker 60 eines daneben angeordneten Wechselstromerzeugers 62 gemeinsam hat, und bildet eine Gesamtanordnung von geringer Trägheit, die bei gleichzeitig hoher Nutzungsdauer schnell auf hohe Drehzahlen beschleunigt werden kann. Der Anker 60 befindet sich innerhalb eines zylindrischen, epoxidharζausgekleideten hülsenförmigen Stators 64 aus hochpermeablem Stahl mit vorzugsweise mindestens zwei herumgeführten Spulen. Der Druckluftmotor und der Wechselstromerzeuger 62 bilden vorzugsweise ein praktisch einheitliches Unterelement von geringer Größe und niedrigem Gewicht. Die beschriebene direkte Verbin-

609827/092«

dung zwischen dem Druckluftmotor 52 und dem Stromerzeuger 62 ermöglicht eine unmittelbare Umsetzung von kinetischer Energie aus dem in der Leitung 28 bewegten Luftstrom in elektrische Energie in Gestalt einer Wechselspannung von zweckmässigerweise etwa 8 bis 16 V eff. bei einer Frequenz von etwa 250 Hz.

Der Wechselspannungsausgang aus dem Stromerzeuger 62 wird mit Leitungen 68 in einen Gleichrichter 70 und einen Spannungsstabilisator 72 geführt, in dem er in eine praktisch konstante Gleichspannung umgeformt wird, deren Höhe zweckmässigerweise bei 8 bis 12 V liegt. Die stabilisierte Ausgangsspannung des Gleichrichters 72 dient zum Betreiben eines Hochfrequenzoszillators 74, der als Ausgang eine sinus- oder rechteckförmige Niederspannungswelle mit einer Frequenz von zweckmässigerweise 10 bis 50 kHz erzeugt. Der Hochfrequenz-Niederspannungsausgang des Oszillators 74 wird dann von einem Transformator 76, der Bestandteil des Oszillatorkreises ist, transformiert, so daß sich in dem angegebenen Frequen: V-Rechteck- oder Sinusspannung ergibt.

so daß sich in dem angegebenen Frequenzbereich eine - 2500

Der Druckluftmotor 52, der Wechselstromerzeuger 62, der Gleichrichter 70, der Spannungsstabilisator 72, der Oszillator 74 und der Transformator 76 können so angeordnet sein, daß ein einheitliches Unterelement entsteht, das nach dem Vergießen ein leicht austauschbares einheitliches Bauteil darstellt.

Der Hochfrequenz-Hochspannungsausgang des Transformators 76 wird einem Langkettenverstärker 80 zugeführt, vorzugsweise einem Serienverstärker mit mindestens etwa 20 Stufen, um die Eingangsspannung auf eine erforderliche gleichgerichtete 30 bis 100 kV-AusgangsSpannung anzuheben, die

809827/092«

275827?

der Elektrodenanordnung In der Druckluftkappe 32 über die Leitung 84 mit dem eingeschalteten Begrenzungswiderstand 82 zugeführt wird. Ein grösserer Teil des Begrenzungswiderstands 82 kann stattdessen auch zwischen das Niederspannungsende der Patrone 45 und den geerdeten Griffteil 14 geschaltet werden.

Wie schon erwähnt, müssen Spritzpistolen der hler In Frage kommenden Art, die für das gewerbliche elektrostatische Farbspritzen und sonstige Beschichtungsarbeiten herangezogen werden, einem praktisch nutzbaren feststehenden System von mechanischen und elektrischen Kenngrößen angepaßt sein. Handgeführte elektrostatische Spritzpistolen sollten möglichst weniger als 1,4kg (3 pounds) wiegen, sollten mit einer Spannung zwischen 3O und 1OO kV bei einer Stromstärke von etwa 50 ,uA arbeiten, und für ihren

Betrieb sollte das übliche Druckluftnetz von 1,4 bis

2
5,6 kg/cm (20 bis 80 psig) ausreichen. Ferner müssen an derartigen Spritzpistolen Einrichtungen zur Stromflußbegrenzung vorgesehen sein, damit schädliche Bogenentladungen vermieden werden, wenn die Hochspannungselektrode sich einem geerdeten Gegenstand nähert.

In den folgenden Beschreibungsabschnitten soll eine bevorzugte Ausfuhrungsform einer mit unabhängiger Energieversorgung versehenen elektrostatischen Spritzpistole im einzelnen beschrieben werden, die a) etwa 23O g (0,5 pound) wiegt, die b) mit üblichen Betriebsdruckluftanlagen zwischen 1,4 und 5,6 kg/cm (20 bis 80 psig) bei einem Durchfluß von höchstens 1,4 m /min. (5 scfm) betrieben werden kann, die c) einen Mindestausgang von 50 kV bei 50 /UA und einem maximalen Kurzschlußstrom von 200 .uA liefert und die d) in geeigneter Weise als auswechselbare Patrone ausgebildet ist, damit eine einfache Wartung der Spritz-

609827/0921

275827?

einrichtung an der Arbeltsstelle möglich 1st - so daß in einfacher Weise eine patronenartige Einrichtung in handgeführten Spritzpistolen vorliegt, die den derzeit üblichen und anerkannten mechanischen und elektrischen Parametern nagepaßt ist.

Das Unterelement aus Druckluftmotor 52, Wechselstromerzeuger 62, Gleichrichter 70 und Spannungsstabilisator 72 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß besonders günstige Betriebsverhältnisse vorliegen, nämlich a) verhältnismässig konstante Ausgangsspannung von 5 bis 10 V Gleichspannung bei einem Energieangebot von 5 bis 8 W aus einer ölfreien Druckluft von 1,4 bis 5,6 kg/cm (20 bis 80 psig) mit höchstens 1,4 m /min (5 scfm) Druckluft, die gegen Atmosphärendruck abgeblasen werden, b) Beschleunigung des Druckluftmotors 56 und des Ankers 60 auf 80 % ihrer Höchstdrehzahl innerhalb von höchstens 0,2 see nach der Betätigung des Drückers, und c) geringes Gewicht, etwa 93 g (3 ounces) , bei gleichzeitig stabilem Aufbau als Gewähr für lange Nutzungsdauer.

Wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, enthält eine bevorzugte Konstruktion eines Druckluftmotors 52 einen einfachen Impuls-Druckluftmotor, in dem sich ein leichter Rotor 56 von etwa 2,5 cm Durchmesser befindet, dessen theoretische Höchstdrehzahl, wenn er einem durch die Düse 50 eintretenden Druckluftstrom von ungefähr 300 m/sec ausgesetzt ist, bei etwa 300 000 Umdr/min liegt, also ohne weiteres einen Betrieb mit etwa 10 000 bis 30 000 Umdr/min erlaubt und dabei das für den Wechselstromerzeuger 62 erforderliche Drehmoment liefert, das die verlangte Auegangsenergie aus der verfügbaren kinetischen Energie des bewegten Luftstroms ergibt.

Druckluft mit einem Durchsatz von etwa 0,1 m /min (4 scfm)

609827/0921

bei einem Druck von 2,8 kg/cm (40 pslg) hat einen theoretischen Energieinhalt von etwa 200 W. Da am Gleichrichter eine Ausgangsgröße von höchstens etwa 10 W erwartet wird, benutzt das beschriebene System den vollen verfügbaren Druckabfall zum Antrieb des Druckluftmotors 50 und des angeschlossenen Wechselstromerzeugers 62. Darüber hinaus wird durch den oben beschriebenen bevorzugten Druckluftmotor mit Impulsturbine die Verwendung von Gleitdichtungen vermieden und die Anwendung von Kugellagern, ölgetränkten Laufbüchsen oder sonstigen geeigneten Lagerelementen ermöglicht, wie sie insbesondere in Zahnarztbohrmaschinen eingesetzt sind und lange Lebensdauer bei hohen Drehzahlen gewährleisten.

Um die erforderliche hohe Beschleunigung des Ankers 60 in dem Wechselstromgenerator 62 zu erreichen, muß die Trägheit des Druckluftmotorrotors 56 und des Ankers 60 so niedrig wie möglich gehalten werden. Dazu ist in dem Anker vorzugsweise ein hochwertiger Permanentmagnet 100 von etwa 15,9 mm (5/8 inch) Länge und etwa 12,7 mm (1/2 inch) Durchmesser vorgesehen. Nach dem heutigen Erkenntnisstande ergeben sich bei über 12,7 mm (1/2 inch) hinausgehende Magnetdurchmesser ungeeignete Trägheitsverhältnisse. Für den Magnetanker wird Alnico 8 bevorzugt verwendet, man kann aber auch Alnico 5 verwenden. Wie bereits erwähnt, ist der Anker 60 mit dem Rotor 56 zu einer baulichen Einheit verbunden und liegt unmittelbar aussen anschlieseend an das Gehäuse 52 des Druckluftmotors.

Wie die Fig. 3 und 4 erkennen lassen, besteht der Stator des Wechselstromerzeugers 62 aus einem epoxidharzbeschichteten Hohlzylinder 64 aus einer Stahllegierung hoher Permeabilität, um die Hystereseverluste des Kerns möglichst niedrig zu halten. Der handelsübliche Bandkern, bei dem

809827/0928

auch die Wirbelstromverluste gering sind, wird bevorzugt. Die Windungen auf dem Stator 64 bilden zwei Spulen und sind so ausgeführt, daß sich eine Ausgangswechselspannung von etwa 12 V ergibt und eine Anpassung an die Widerstandsverhältnisse von Gleichrichter 70, Spannungsstabilisator 72 und Oszillator 74 ergibt. Die Gesamtanordnung aus Stator und Wicklung ist, wie durch 102 angedeutet, gekapselt oder vergossen, so daß ein einstückiges Gebilde entsteht. Der angegebene Wechselstromerzeuger 62 ist einfach und robust aufgebaut und ist gekennzeichnet durch ein niedriges Anlaufmoment, mit dem sich innerhalb von weniger als 1/4 see eine Betriebsdrehzahl von etwa 15 ümdr/min erreichen läßt, wobei 5 bis 10 W Leistung bei einer Spannung von etwa 12 V verfügbar sind.

Die übrigen Komponenten der Energieversorgungseinrichtung sind elektrischer Art und bestehen im wesentlichen aus üblichen Schaltungselementen, wobei die Werte der Schaltungselemente so ausgewählt sind, daß sie den schon genannten und noch zu nennenden Parametern angepaßt sind. Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 eine geeignete Schaltung für den Gleichrichter 70 und den Spannungestabilisator 72 gezeichnet, mit denen der Wecheelspannungsausgang von 8 bis 16 V eff. des Wechselstromerzeugers 62 in eine konstante Gleichspannung von etwa 8 bis 12 V umgewandelt wird. Der Wechselstromerzeuger 62 ist danach an einen Brückengleichrichter 110 geführt, der aus Festkörperdioden 112 besteht. Der Brückenausgang wird an eine Zenerdiode 114 und einen Filterkondensator 116 geleitet, so daß an den Ausgangsklemmen 118 eine im wesentlichen konstante Gleichspannung entsteht.

Wie schon erwähnt, liefert der Hochfrequenzoszillator 74 in seiner bevorzugten Ausführungsform einen Rechteckwellen-

809827/092·

ausgang in einem Frequenzbereich zwischen 10 und etwa 50 kHz bei einem Spannungsniveau, das dem angegebenen 8 bis 12 V-Gleichstromeingang angepaßt ist. Der Hochfrequenzausgang des Oszillators wird dann zu einer

2500 V-Rechteckwelle hochtransformiert, die in die erste Stufe des Verstärkers 80 eingegeben wird.

In Fig. 6 ist eine für diesen Oszillator 74 und den Transformator 76 geeignete Schaltung schematisch dargestellt. Die Ausgangsklemmen 118 des Stabilisators 72 sind danach an einen Widerstand 120 und eine Diode 122 gelegt. Die Oszillatorschaltung enthält zwei Transistoren 124, 126, deren Ausgang an der Primärwicklung 128 des Transformators 76 liegt. Der hochtransformierte Ausgang von - 2500 V bei einer Frequenz von 10 bis 50 kHz wird von der Sekundärwicklung 130 des Transformators geliefert.

Druckluftmotor, Wechselstromerzeuger, Gleichrichter, Spannungsstabilisator, Oszillator und Transformator bilden vorzugsweise (nach dem Vergießen) ein einheitliches Unterelement, das als einheitliches Bauteil austauschbar ist und die erste patronenartige Komponente darstellt.

Dieser bevorzugte - 2500 V-Rechteckwellenausgang aus dem Transformator 76 wird an die Eingangsklemmen des langkettigen Verstärkers 80 geführt. Fig. 7 gibt schematisch eine geeignete Schaltung für einen mehrstufigen (am besten etwa 24 Stufen) Serienverstärker wieder, der einen Ausgang von 60 kV liefert. Da Größe und Gewicht der Bauteileinheiten von Größe und Gewicht der elektrischen Elemente, also von die Verstärkerkette bildenden Kondensatoren und Widerständen, abhängen, arbeitet der - 25OO V-Eingang mit 5 kV-Standardkomponenten, die äusserst klein und sehr leicht sind. Eine solche Kette enthält üblicherweise eine Mehrzahl Stufen aus jeweils hintereinandergeschalteten Konden-

Θ09827/0928

satoren 132, die durch Dioden 134 überbrückt sind.

Man kann beliebige Arten von reihen- oder parallelgeschalteten Langkettenverstärkern verwenden, jedoch wird ein reihengeschalteter Verstärker bevorzugt. Der Verstärker bildet vorzugsweise (nach dem Vergießen) das zweite einstückige Unterelernent, das als einheitliches Bauteil austauschbar ist und die zweite patronenartige Komponente darstellt.

Man sieht, daß alle elektronischen Komponenten, nämlich das eine Unterelement aus Druckluftmotor 52, Wechselstromerzeuger 62, Gleichrichter 70, Stabilisator 72, Oszillator 74 und Transformator 76, und als zweites Unterelement der Verstärker 80, eng gepackt und in geeigneter Weise verkapselt, zu gesonderten einstückigen Bauteilen zusammengefaßt werden können, die miteinander Teile der Patrone bilden und beide am Arbeitsplatz leicht ausgewechselt werden können.

Um die Ausgangsspannung zu begrenzen und Oberdrehzahlen des Druckluftmotors 52 zu vermeiden, ist vorzugsweise ein Druckluftregler 148 in die Druckzuleitung 28 in dem Handgriff 14 eingebaut. In Fig. 8 ist ein einfacher Druckregler schematisch dargestellt. In die Leitung 28 ist danach eine Büchse 150 mit einer länglichen Mittelbohrung 152 von deutlich verkleinertem Strömungsquerschnitt eingesetzt. Auf der Bohrung 152 sitzt eine abnehmbare Kappe als Ventilelement 154. Der Basisteil 156 des Ventils 154 verschiebt sich an den Wänden eines grösseren Abschnitts der Leitung 28, wobei zweckmässigerweise passende O-Ringe 158 verwendet werden, um Druckluft-Leckverluste zu vermeiden. Der obere Abschnitt 160 des Ventils 154 hat eine geringere Querschnittsfläche, so daß um ihn herum eine Kammer 162 entsteht. Die Kammer 162 wird ausserdem durch

$09827/09**

einen Stopfen 164 mit zentraler öffnung 166 von geringerem Strömungsquerschnitt begrenzt. Der Stopfen 164 ist so angeordnet, daß er die Aufwärtsbewegung des Ventils 154 begrenzt; das Ventil 154 wird normalerweise von einer Feder 168 gegen den Stopfen 164 gedrückt. In das Ventil 154 sind ferner mehrere auf einem Kreisbogen verteilt angebrachte Leitungen oder Kanäle 170 geschnitten, durch die Druckluft aus der Mittelbohrung 152 in die Kammer 162 gelangen kann, wenn die Enden der Kanäle nicht durch das Ende der Büchse 150 verschlossen sind.

Wenn die Einrichtung in Betrieb ist, wird das Ventil von der Feder 168 dichtend gegen die öffnung 166 des Stopfens 164 gelegt. Durch den in der Kammer 162 herrschenden Luftdruck wird jedoch das Ventil gegen die Wirkung der Druckfeder 168 nach unten bewegt, wodurch die öffnung freigegeben wird und die Kanäle 170 teilweise oder ganz verschlossen werden. Dadurch, daß die Kanäle 170 teilweise oder ganz verschlossen werden, kehrt der Vorgangsich um, und die Feder 168 kann steuernd eingreifen und den Stopfen aufwärts bewegen. Durch geeignete Dimensionierung der Elemente werden offensichtlich die auf der stromauf gelegenen Seite ausgeübten Drücke auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, der unabhängig von dem Druck in der stromab gelegenen Leitung ist, und auf diese Weise wird der Eintritt der Druckluft in den Druckluftmotor reguliert.

Ein nach der beschriebenen Lehre gebauter Systemprototyp liefert ohne weiteres einen Ausgang von 55 kV mit 3 W Gleichstrom aus einer regulierten Drucklufteingabe von 0,12 m³/min (4,2 scfm) bei 1,4 kg/cm² (20 psig). Dabei wurden folgende Betriebs- und physikalischen Parameter beachtet und erreicht:

809827/0928

Unterelement aus Druckluftmotor und Wechselstromerzeuger

Drucklufteinlafi Ausgangsgröße

Abmessungen Gewicht Anstiegszeit 1,4 kg/cnT (20 psig)

0,12 m³/min (4,2 scfm) 8,6 W bei 12,1 V eff. und 250 Hz

34,9 χ 34,4 mm (1,375" χ 1,355") 68,0 g (2,4 oz.)

weniger als 0,1 see für 90 % der geschätzten Leistung

Gleichrichter-Stabillsator-Oazillator-Transformator

Eingang Ausgang

Abmessungen Gewicht wie oben

5,1 kV (Spitze) bei 20 kHz und 5,4 W

34,9 χ 25,4 mm (1,375" χ 1,0") 63,8 g (2,25 oz.) (gekapselt)

Hochspannungsverstärker

Eingang Ausgang Abmessungen Gewicht wie oben

55 kV bei 3 W Gleichspannung 22,2 χ 120,6 mm (0,875" χ 4,75") 113,4 g (4,0 oz.) (gekapselt)

Der Patentanwalt

8098*7/092«

-ÄS-

Leerse ite

Claims

Ansprüche :

1.)Gerät zum elektrostatischen Spritzbeschichten,
^^ gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aussenden

eines Sprühstrahls von zerstäubtem Beschichtungsmaterial, eine Elektrodenanordnung neben der Stelle, an der das
Beschichtungsmaterial zerstäubt wird, um das genannte zerstäubte Beschichtungsmaterial mit einer elektrischen Ladung zu versehen, eine Einrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie eines bewegten Luftstroms in eine Wechselspannung und eine Langketten-Spannungsverstärkereinrichtung zum Umwandeln der genannten Wechselspannung in ein
hohes Gleichspannungspotential, das an die genannte Elektrodenanordnung gelegt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zum Umwandeln von kinetischer Energie einen
Wechselstromerzeuger (62) mit Druckluftturbine (52) sowie einen Transformator (76) zum Erhöhen der Spannung der ge-

COPY

nannten Wechselspannung aufweist, bevor diese der Spannungsverstärkereinrichtung (80) zugeführt wird.

3. Gerät zum elektrostatischen Spritzbeschichten, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aussenden eines Sprühstrahls von zerstäubtem Beschichtungsmaterial, eine Elektrodenanordnung (32) neben der Stelle, an der das Beschichtungsmaterial zerstäubt wird, um das genannte zerstäubte Beschichtungsmaterial mit einer elektrischen Ladung zu versehen, einer Einrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie eines bewegten Luftstroms in eine Wechselspannung, eine Einrichtung zum Umwandeln der genannten Wechselspannung in eine Gleichspannung von praktisch konstanter Höhe, eine auf die genannte Gleichspannung ansprechende Oszillatoreinrichtung zur Erzeugung eines Hochfrequenzwechselspannungsausgangs und eine Langketten-Spannungsverstärkereinrichtung zum Umwandeln des Ausgangs der genannten Oszillatoreinrichtung in ein hohes Gleichspannungspotential, das an die genannte Elektrodenanordnung gelegt wird.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Umwandeln von kinetischer Energie eine in Rotation versetzbare Turbine (52) aufweist, die von einem Druckluftstrom aus einer Druckluftquelle gespeist werden kann, sowie einen von der genannten Turbine angetriebenen Wechselstromerzeuger (62).

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

809827/092*

Einrichtung zum Umwandeln der genannten Wechselspannung in eine Gleichspannung von praktisch konstanter Höhe einen Gleichrichter (HO) und einen Spannungsstabilisator (72) aufweist.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der genannten Spannungsverstärkereinrichtung (80) um eine mehrstufige Serienverstärkerschaltung handelt.

7. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine als Impuls-Druckluftmotor ausgeführt ist.

8. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von der genannten Turbine angetriebene Wechselstrom* erzeuger einen unmittelbar an die Turbine (56) angeschlossenen starren Magnetanker (60) enthält.

9. Gerät zum elektrostatischen Spritzbeschichten, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aussenden eines Sprühstrahls von zerstäubtem Beschichtungsmaterial, eine Elektrodenanordnung neben der Stelle, an der das Beschichtungsmaterial zerstäubt wird, um das genannte zerstäubte Beschichtungsmaterial mit einer elektrischen Ladung zu versehen, eine druckluftbetriebene trägheitsarme Turbine zum Umwandeln der kinetischen Energie eines bewegtenLuftStroms in eine niederfrequente Wechselspannung geringer Höhe, eine

Einrichtung zum Umwandeln der genannten niederfrequenten Wechselspannung geringer Höhe In eine praktisch konstante Gleichspannung geringer Höhe, einen auf die genannte Gleichspannung ansprechenden Oszillator für die Abgabe eines hochfrequenten Wechselspannungsausgangs geringer Höhe, einen Aufwärtstransformator in Verbindung mit dem genannten Oszillator zur kräftigen Anhebung der Spannungsamplitude des hochfrequenten WechselSpannungsausgangs des genannten Oszillators und eine Langketten-Wechselspannungsverstärkereinrichtung zum Umwandeln des Ausgangs des genannten Transformators in ein Gleichspannungspotential hoher Amplitude, das an die genannte Elektrodenanordnung gelegt wird.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie eine durch einen aus einer Druckluftquelle gelieferten Druckluftstrom impulsartig in Rotation versetzbare Turbine (52) sowie einen Wechselstromerzeuger (62) aufweist, der von der genannten Turbine angetrieben wird und bei einer Frequenz von etwa 250 Hz eine Ausgangsspannung von etwa 12 V erzeugt.

11. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Umwandeln der genannten niederfrequenten Wechselspannung geringer Höhe einen Gleichrichter (110) und einen Spannungsstabilisator (72) aufweist, die eine Ausgangsgleichspannung von etwa 10 y zu erzeugen vermögen.

809827/0920

12. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (74) einen Wechselspannungsausgang mit einer Frequenz zwischen 10 und 50 kHz zu liefern vermag.

13. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Transformator (76) einen Wechselspannungsausgang von etwa - 2500 V zu liefern vermag.

14. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der genannten Spannungsverstärkereinrichtung (80) um eine mehrstufige Serienverstärkerschaltung handelt, die eine Ausgangsspannung zwischen 30 und 100 kV zu erzeugen vermag.

15. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von der genannten Turbine (52) angetriebene Wechselstromerzeuger (62) einen unmittelbar mit der Turbine verbundenen festen Magnetanker (60) aufweist.

16. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zur Wechselstromumwandlung und der Oszillator (74) eingekapselt sind und ein patronenartiges einstückiges Unterelement bilden.

17. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Spannungsverstärkereinrichtung (80) eingekapselt ist und ein patronenartiges einstückiges Un-

808827/0920

terelement bildet.

18. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zur Umwandlung von kinetischer Energie, die Einrichtung zur Umwandlung der Wechselspannung, der Oszillator (74) und der Transformator (76) sowie die Spannungsverstärkereinrichtung eingekapselt sind und ein patronenartiges einstückiges Element bilden, das in dem genannten Gerät zum elektrostatischen Beschichten auswechselbar unterzubringen ist.

19. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Umwandeln von kinetischer Energie ein erstes einstückiges Unterelement bildet, daß die genannte Einrichtung zur Umwandlung der Wechselspannung, der Oszillator (74) und der Transformator (76) ein zweites einstUckiges Unterelement bilden, daß die genannte Spannungsverstärkereinrichtung (80) ein drittes einstückiges Unterelement bildet, und daß das erste, das zweite und das dritte Unterelement zusammen eine leicht zusammensetzbare und auseinandernehmbare Patrone darstellen.

20. Gerät zum elektrostatischen Spritzbeschichten mit einer Einrichtung zum Aussenden eines SprUhstrahls von Beschichtungsmaterial sowie einer Elektrodenanordnung zur Anbringung einer elektrischen Ladung an dem ausgesandten Beschichtungsmaterial, gekennzeichnet durch eine unabhängige Energieversorgung zur An-

809827/0921

bringung eines Potentials an der genannten Elektrodenanordnung, mit einer Einrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie eines bewegten Gasstroms in kinetische Energie eines rotierenden festen Bauteils und einer Einrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie des genannten rotierenden festen Bauteils in elektrische Energie, die der genannten Elektrodenanordnung zuzuführen 1st.

21. Gerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Einrichtung zur Umwandlung von kinetischer Energie eine durch Druckluft impulsartig angetriebene Turbine (52) enthält.

22. Gerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung zur Umwandlung von kinetischer Energie einen Wechselstromerzeuger (62) enthält, der von der genannten Turbine (52) angetrieben wird und einen Wechselspannungsausgang liefert.

23. Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung zur Umwandlung von kinetischer Energie eine Einrichtung zur Umwandlung der genannten Wechselspannung in eine Gleichspannung praktisch konstanter Höhe aufweist, ferner einen auf die genannte Gleichspannung ansprechenden Oszillator, der einen hochfrequenten Wechselspannungsausgang liefert, und eine Langketten-Verstärkereinrichtung, die den Ausgang des genannten Osz ULators in ein Gleich-

809827/09?·

Spannungspotential großer Höhe umwandelt, das der genannten Elektrodeaanordnung zugeführt wird.

809827/09?*