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Verfahren zum Zerstäuben und Zerstäubungs-
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einrichtung, insbesondere für pulverförmiges Beschichtungsmaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerstäuben von Zerstäubungsmaterial, insbesondere
pulverförmigem Beschichtungsmaterial, welches über ein in Strömungsrichtung dieses
Materials trichterartig erweitertes Kanalstück ausgestoßen wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Zerstäubungseinrichtung, insbesondere
für pulverförmiges Beschichtungsmaterial mit einem Materialkanal für 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.
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Solche Einrichtungen sind bekannt aus den DE-AS 14 27 642 und DE-OS
17 77 284. Bei diesen ist zwischen dem eigentlichen Pulverkanal und der Mündungsöffnung
eine Drallkammer vorgesehen. In diese Drallkammer mündet nahes Jedoch nicht unmittelbar
am Anfang der Mündungsöffnung der Auslaß eines Gas kanals zum Einbringen von Gas,
normalerweise Luft, welches das Pulver verwirbelt.
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Die eigentliche Zerstäubung erfolgt bei diesen bekannten Einrichtungen
erst weiter stromabwärts durch den Strömungsabriß an einem scharfkantigen Mündungsrand
der Mündungsöffnung. Damit kann aber nur ein sehr eng gebündelt er 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 17 77 284 erforderlich,
die eine Prall-und Umlenkwirkung haben. Das Zerstäuben von Pulver durch die Verwendung
von Prallplatten ist auch aus den DE-OS 15 77 760 und DE-PS 17 52 027 bekannt.
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Weiter ist es aus der DE-PS 20 30 388 bekannt, Pulver elektrostatisch
aufzuladen,damit es von den zu beschichtenden Gegenständen angezogen wird, sodaß
es an diesen besser haftet und weniger Pulver verloren geht.
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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 Ausbreitungsgeschwindigkeit wesentlich kleiner ist als die axiale Geschwindigkeit
des unzerstäubtenMaterials. Ferner sollen Ablagerungen von Zerstäubungsmaterial
an der Zerstäubungseinrichtung vermieden werden.
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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 Wand des trichterartigen,
progressiv erweiterten Kanalstückes durch entstehenden Unterdruck angezogen wird
und im wesentlichen ohne Umkehrströmungen bis zu einer Auslaßstelle an dieser Kanalwand
entlang strömt (Coanda-Effekt).
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Ferner wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung bei der Zerstäubungseinrichtung
dadurch gelöst, a) daß die Mündungsöffnung in Strömungsrichtung progressiv erweitert
ist und b) daß der Gaskanal und die Mündungsöffnung so aufeinander abgestimmt sind,
daß das Zerstäubungsmaterial vom Gasstrom zur Wand der Mündungsöffnung hin auseinander
getrieben wird und an dieser Mündungswand, im wesentlichen ohne Umkehrströmungen,
bis zu einer Auslaßstelle entlang strömt (Coanda-Effekt).
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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.
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Durch die Erfingund wird erstmals der sogenannte Coanda-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 weiter zuströmen. 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 70.
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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 Material strom
radial soweit auseinander getrieben, daR die Mantelfläche dieses auseinandergetriebenen
Materialstromes mit der trichterartigen Wand den Coanda-Effekt hervorruft.
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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.
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Dadurch haftet das Material besser an zu beschichtenden Gegenständen,
da die Prallwirkung geringer ist.
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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 Beschichtungsflächen,
da ein besprühter Beschichtungsbereich an allen Stellen gleichmäßig mit Zerstäubungsmaterial
belegt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
In diesen zeigen: Fig.l einen abgebrochenen Axialschnitt einer Pulver-Zerstäubungseinrichtung
nach der Erfindung, 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
der Erfindung im Axialschnitt, Fig.7 eine andere bevorzugte Mundstücksöffnung der
Erfindung im Axialschnitt, und Fig.8 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer weiteren
Ausfuhrungsform der Erfindung im Axialschnitt.
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Die Einrichtung nach Fig. 1 kann die Form eines Pistolenkörpers 1
haben. Von diesem ist nur ein Teil gezeichnet.
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Er enthält einen Zerstäubergaskanal 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.
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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, glattezylindrische 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.
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Durch den Steuergaskanal 3 wird Steuergas in eine Ringkammer 15 geleitet,
von der mehrere Bohrungen 16 in
eine zweite Ringkammer ns7 münden.
Von ihr gelangt das Steuergas in einen f'ing-,spalt 18. Je nach der austretenden
Gasmenge und dem Gasaustritsswinkel wird der Durchmesser bzw. der 7,.erstäubungswinkel
der Pulverwolke verkleinert oder vergrdßert, 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.
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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.
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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.
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Das pulverförmige Zerstäubungsmaterial kann in an sich bekannter Weise
elektrostatisch aufgeladen werden ( DE-PS 20 30 388). 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.
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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.
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Der zerstäubte Flüssigkeitsstrahl 35 enthalt anfänglich einen dichten
Strahlenkern 36o Ferner sind bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten adee Iiriterien
maßgebend als bei pulverförmigen aterialien0 Anders als bei der bekannten Einrichtung
wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung das Zerstäuber gas des Kanals 2 so eingeleitet,
daß sich das Zerstäubungsmaterial 14 an die bffnungswand 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.
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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 faradayschen Käfig zu überwinden.
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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 achs~ senkrechten Ebene
aufweisen. Die Mündungswand 26
ist in Strömungsrichtung progressiv
erweitert.
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Die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Winkelverhältnisse haben sich gemäß
der Erfindung als besonders günstig erwiesen. Bei einem Winkel «von etwa 650 zwischen
Pulverkanal 13 und Mündungsende des ZerstRubergasschlitzes 12 betragen die Winkel
6 zwischen der Zerstäuber- Mündungswand 26 und einer achssenkrechten Ebene des Pulverkanals
13 gemäß Fig. 6 zwischen etwa 400 am stromaufwärtigen Anfang und minimal 0°, vorzugsweise
etwa 5°amamstromabwärtigen Ende der MUndungsöffnung 26a. Bei einem Winkel oC von
etwa 850 betragen die Winkel j gemäß Fig. 7 zwischen etwa 250 am stromaufwärtigen
Anfang und minimal 00, vorzugsweise etwa 2.50, am stromabwärtigen Ende der Mündungsöffnung
26a.
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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.
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Bei der Ausführung nach Fig.8 mündet ein Zerstäubergaskanal 41 mit
einem Winkel CCvon ungefähr 650 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.
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Der Abschnitt der Mündungswand 45 zwischen dem Anfang 44a und dem
ringschlitzförmigen Auslaß des Zerstäubergaskanals 41 braucht nicht prngressiv 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 MUndungswand 45 festgehalten wird.
Wenn eine Zerstäubungswolke 47 gleichförmiger Dichte ohne ausgeprägten Strah1eern
LI8 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 300 betragen. Vorzugsweise beträgt dieser
Winkel ß zwischen 60 und 100.
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Der Energievektor 51 ergibt sich als Resultierende aus dem axialen
Energievektor 53 des Zers-täubungsmaterials 42 und dem zur Mündungswand 45 gerichteten
Energievektor 54 des Zerstäubergases aus dem Kanal LIlo 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 300 beträgt. Vorsugsweise beträgt der Winkel /3 70 Das
Zerstäubungsmaterial besteht bei dieser Ausführungsform aus pulverförmigem Material
und einem Gas als Transportträger. Stromabwärts der schlitzförmigen Ausfaßöffnung
119 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 g von weniger als 300 einschließen. Vorzugsweise
liegt dieser Winkel t zwischen 60 und 100. Günstig sind ungefähr 70.
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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, II von Fig.1. Die Mündungswand
45 ist durch ein Mündstücksteil 60 gebildet, das über ein Gewinde, ähnlich dem Gewinde
39 von Fig. lmit 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 ringschlitzartigen
Auslaßöffnung 49 des Zerstäubergaskanals 41 verändert werden.
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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.
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Diese Reibung kann zur Erzeugung einer Reibungselektrizität verwendet
werden, durch welche das Zerstäubungsmaterial so stark aufgeladen wird, daß Aufladeelektroden
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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Zusammenfassung Die Erfindung betrifft das Zerstäuben von Material,
insbesondere von pulverförmigem Beschichtungsmaterial' in einer trichterförmigen
Mündungsöffnung ohne Prallplatten. Das Zerstäubungsmaterial wird in der Mündungsöffnung
durch Zerstäubergas radial soweit auseinander getrieben, daß zwischen ihm und der
Mündungswand der Coanda-Effekt auftritt. Dabei wird eine die gesamte Mündungsöffnung
ausfüllende Materialwolke mit im Querschnitt im wesentlichen gleichförmiger Dichte
und verringerter Axialgeschwindigkeit erzeugt.