DE3546231A1 - Pulver-spruehpistole - Google Patents

Description

Zum Beschichten von Gegenständen mit pulverförmigen Stoffen unter Anwendung elektrischer Ladungen verwendet man von Hand oder mechanisch geführte sog. Sprühpistolen, denen aus einem Vorratsbehälter über Schlauch oder Rohrleitungen ein Gemisch aus dem zu versprühenden Pulver und einem Fördergas - vorzugsweise Luft - zugeführt wird. In der Zufuhrleitung kommt es durch verschiedene Einflüsse, insbesondere durch Umlenkung und durch Reibung an der Wand zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Pulvers. Umlenkungen wirken dabei infolge der unterschiedlichen spezifischen Gewichte wie ein Fliehkraftabscheider, indem die schwereren Partikel nach außen geschleudert werden und dabei das diese umgebende Gas nach innen verdrängt wird. Deshalb kommen die Pulverpartikel in z. T. sehr unterschiedlich im Gasstrom verteilter Form an der Austrittsmündung der Sprühpistole an. Das ist aber sehr nachteilig, denn um sie in einem elektrischen Feld optimal aufzuladen und auf einem Gegenstand gleichmäßig aufzutragen, müßten sie so gut wie möglich voneinander getrennt und so gleichmäßig wie möglich in dem Fördergasstrom verteilt sein. So sind aus der Praxis wie auch aus der Patentliteratur zahllose Verbesserungen der sog. "Zerstäuber" bekannt. In der Hauptsache lassen sie sich in 2 Kategorien unterteilen:

• 1. Lösungen, in denen das strömende Pulver-/Gasgemisch bei Verlassen der Austrittsmündung auf einen sog. Prallkörper auftrifft und von dort abprallt,
• 2. Lösungen, bei denen durch tangentiale Umlenkung oder tangentiale Beimischung von Zusatz-Gasströmen an der Austrittsmündung eine Prallverwirbelung herbeigeführt wird.

Für die erstgenannte Kategorie möge die DOS 35 09 851 als Beispiel dienen, weil dort gleichzeitig die Probleme solcher Prallkörper erläutert sind; ein Beispiel für die zweite Kategorie ist in der DOS 17 77 284 und in der DOS 28 52 412 dargelegt.

Beiden Lösungskategorien zu eigen ist jedoch der Nachteil, daß man nicht zunächst bei möglichst geringer Pulver-/Gasstrom-Geschwindigkeit eine gleichmäßige Verteilung herbeiführt, sondern das in ungleichmäßiger Verteilung im Pulver-/Gasstrom vorliegende Pulver direkt zerstäuben will.

Durch Verwendung erhöhter Gasstromgeschwindigkeiten in der Zufuhrleitung und im Sprühorgan läßt sich zwar die beeinträchtigende Wirkung der durch Umlenkvorgänge und Wandreibung verursachten Trennvorgänge teilweise mindern, weil die dabei auftretenden Turbulenzen ständig für eine gewisse Vermischung sorgen. Die dazu erforderliche Erhöhung der Pulver-/Gasstromgeschwindigkeit führt jedoch an dem zu beschichtenden Werkstück zu unerwünschten Rückpralleffekten, welche den Zutritt des Pulvers behindern und um Engstellen herum sogar verhindern. Das eigentliche Ziel, die Teilchen möglichst alle voneinander zu trennen oder zu entfernen, um ihrer zerklüfteten oder glatten Oberfläche eine maximale elektrische Ladung zufließen lassen zu können, ist mittels der geschilderten, bislang ausschließlich üblichen Methoden nur sehr unvollkommen zu erreichen. Auch ein anderer, bei flüssigen Medien sehr praktikabeler Weg der Zerstäubung, die Austrittsmündung oder das Sprührohr mit einer mehr oder minder starken Verengung - z. B. auch in Form einer Venturidüse - auszustatten, führt nicht zum Ziel sondern erhöht nur den Durchflußwiderstand, zu dessen Ausgleich dann wiederum verstärkter Förder-Gasstrom erforderlich würde - mit den obengenannten Nachteilen von Rückpralleffekten.

Obwohl man ersichtlich seit über 20 Jahren an der Verbesserung der Zerstäubung arbeitet, und obwohl das gute Zerstäubungsverhalten von sog. Venturidüsen seit noch viel längerer Zeit - z. B. in Adsorbtions- und anderen Reinigungsprozessen in großem Maße genutzt wird, hat man sich diesen Effekt bislang zur Zerstäubung nicht oder zumindest nicht konsequent zunutze gemachten.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung ist dies jedoch unter gleichzeitiger Vermeidung der geschilderten Nachteile erhöhter Gasstromgeschwindigkeiten möglich, indem man einer im Sprührohr angeordneten Verengung, z. B. in Form einer Venturidüse, eine Blasdüse dergestalt zuordnet, daß aus beiden sich die Funktion einer Strahlpumpe ergibt. Der aus der Blasdüse austretende scharfe Zusatzgasstrom reißt das ungleichförmig verteilte Pulver-/Gasgemisch mit und treibt es durch die in einem Abstand von 2-20 mm danach angeordnete Verengung. Dabei werden die Pulverteilchen aneinander gedrängt und es kommt zu einer gleichmäßigeren Verteilung sowohl durch Annäherung als durch Abprallen voneinander. Das zwischen den Teilchen vorhandene Gas wird dabei komprimiert und sofort danach durch die Druck geschwindigkeitsumsetzungwieder entspannt. Dabei werden alle Teilchen voneinander entfernt und bewegen sich kurzzeitig aufgrund ihrer größeren Trägheit rascher als das sie umgebende Gas. Es geschieht also eine Verteilungsverbesserung ohne Geschwindigkeitserhöhung des Gesamt- Gasstromes, die dadurch besonders veranschaulicht werden kann, daß bei einem vergleichbaren Zerstäubungsvorgang flüssiger Partikel sogar die Tröpfchengröße durch Zerreißen größerer Tröpfchen verringert wird.

Da somit die Verteilung bei relativ niedriger Gasstromgeschwindigkeit erzielt wird, muß dafür gesorgt werden, daß die bei jener niedrigen Geschwindigkeit leichter abzubremsenden Pulverteilchen möglichst wenig mit der Sprührohrwandung in Berührung kommen, um nicht zu stark verlangsamt zu werden. Wo dies möglich ist, ordnet man zu diesem Zweck die Verengung bzw. die Venturidüse so nahe wie möglich an der Austrittsmündung des Sprührohres an. Wo dies hingegen z. B. deshalb nicht möglich ist, weil man aus verschiedenen Gründen den Pulverpartikelstrom im Inneren des Sprührohres mit Hilfe von innen angeordneten Hochspannungselektroden aufladen will, benutzt man zum Fernhalten der Partikeln von der Wand einen zusätzlichen Mantel-Gasstrom, wozu aus einer der Venturidüse nachgeschalteten Ringdüsen ein zweiter Zusatzgasstrom konzentrisch den Pulvergasstrom umgebend zugeführt wird. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn diese Ringdüse in einem Abstand von 10-100 mm von der Verengung angeordnet ist.

Erläuternd sei gesagt, daß die Abstandsangaben vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, dergestalt einanderzuzuordnen sind, daß die kleineren Werte sich auf Sprühorgane mit kleineren Rohrdurchmessern von z. B. 8-20 mm, die größeren sich auf solche mit Rohr-⌀ von ca. 20-40 mm beziehen.

Für eine gleichmäßige Beschichtung ist es letztlich erforderlich, den Sprühstrahl divergierend auszubreiten, sei es zu einer Kegel- oder zu einer Fächerform, ähnlich wie dies z. B. bei Spritzpistolen mit sog. Rund- oder Flachstrahl üblich ist. Um auch diese Aufgabe ohne Geschwindigkeitserhöhung des Gasstromes erfüllen zu können, die sich bei entsprechend gestalteten Prallkörpern durch deren Kegel- oder Glockenform, bei Dralldüsen hingegen durch die Zentrifugalkraft ergibt, kann man bei der vorliegenden Lösung vorzugsweise den sog. Coanda-Effekt nutzen, was bei hohen Gasstromgeschwindigkeiten nur ungenügend möglich wäre. Die durch die erwähnte Ringdüse entlang der Wandung aufrechterhaltene Strömung folgt bei gleichmäßiger Wandumlenkung dieser, ohne sich von ihr zu lösen. Wird die Mündung des Sprührohres dergestalt - also trompentenähnlich - erweitert, ergibt sich eine kegelförmige Abströmung. Formt man die Mündung hingegen ähnlich einer zweiseitig plattgedrückten Trompete, so ergibt sich eine fächerförmige Abströmung. Unterstützen kann man diese Strahlformen durch Anordnung einer ebenfalls kegel- oder fächerförmig nach außen gerichteten, an das Mündungsende anschließenden Ringdüse bzw. eines Kranzes von Einzeldüsen. Ein solcher glockenförmiger Mantelgasstrom verhindert, daß die Partikel nach Verlassen der Mündung sofort von der Umgebungsluft abgebremst werden und richtet sie gleichzeitig divergierend aus. Der sog. Umgriff der Beschichtungsmethode, nämlich das durch das elektrische Feld bewirkte Beschichten auch der von dem Sprühorgan abgewandten Rückseite des Werkstückes wird hierdurch begünstigt.

Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch das Sprühorgan. Die Elektroden sind nicht dargestellt. Am Sprührohr (10) sind angeschlossen die Materialzufuhrleitung (20), die Gaszufuhrleitung (30) für die Blasdüse (31), die Gaszufuhrleitung (40) für die Ringdüse (41) und die Gaszufuhrleitung (50) für die an der Austrittsmündung (11) angeordnete Ringdüse (51). Im Abstand von 2-20 mm von der Blasdüse (31) ist die Verengung (13) der Venturidüse (14) angeordnet. Durch sie strömt das aus der Materialzufuhrleitung (20) ankommende Pulver-/Gasgemisch (21), welches dabei durch den aus der Blasdüse (31) austretenden Gasstrom (32) beschleunigt und durch die Verengung (13) getrieben wird. Dabei kommt es zu einer Feinstverteilung der Pulverpartikel, in dem zunächst alle Partikel einander angenähert werden und die Luft zwischen ihnen komprimiert wird. Nach Durchtreten der Düse dehnt sich die zwischen den Partikeln nunmehr gleichmäßig verteilte Luft (resp. das Gas) aus und reißt dabei alle Teilchen voneinander weg. Anschließend tritt durch die Ringdüse (41) ein den das Pulver nun in gleichmäßiger Verteilung enthaltenden Pulver-/Gasstrom (22) umgebender weiterer Gasstrom (42) in gleicher Richtung strömend hinzu und verhindert, daß die außen im Pulver-/Gasstrom (22) sich befindenden Partikel an der Wand (15) abgebremst werden, bis sie an der im Abstand von 30-300 mm von der Verengung (13) der Venturidüse (14) angeordneten Austrittsmündung (11) ins Freie treten. Durch die stetige Erweiterung (16) der Mündungsöffnung (11) kommt es zu einer Divergenz des Pulver-/Gasstromes (23), weil dieser Strom (43) infolge des hierbei wirksam werdenden Coanda-Effektes sich nicht von der Wandung (17) lösen kann. Unterstützt wird die Verbreiterung des Strahles (23) durch die von den beiden nach außen gerichteten Lippen (52) und (53) gebildete Ringdüse (51) bzw. durch den aus jener auftretenden Hohlkegel-Luftstrahl (54). Durch Regulierung der Zufuhrdrücke bzw. -mengen der einzelnen Gasströme (32), (42) und (52) lassen sich die Geschwindigkeit des aus der Mündung (11) austretenden Pulver-/Gasstromes (23) sowie die Zerstäubung und Vermischung wie auch die Kegel- oder Fächerform des Austrittsstrahles (23) in genügendem Maße steuern.

Claims (5)

1. Anspruch 1:
   Pulver-Sprühorgan zum Beschichten von Gegenständen im elektrischen Feld, im wesentlichen bestehend aus einem von einem Pulver-/Gasgemisch durchströmten ein- oder mehrwandigen Rohr sowie in dessen Innern oder an seiner Austrittsmündung angeordneten, an einer Hochspannungsquelle angeschlossenen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in einem Abstand von vorzugsweise 30-300 mm von seiner Austrittsmündung entfernt eine Verengung in Form einer Venturidüse aufweist, vor welcher - in Flußrichtung des Pulver-/Gasstromes betrachtet - in einem Abstand von vorzugsweise 2-20 mm eine auf die Öffnung der Venturidüse gerichtete Blasdüse angeordnet ist, welche an die Zuleitung eines Zusatz-Gasstromes angeschlossen ist.
2. Anspruch 2:
   Pulver-Sprühorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand von vorzugsweise 10-100 mm von der Venturidüse eine Ringdüse vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich konzentrisch um den aus der Venturidüse austretenden Pulver-/Gasstrom herum angeordnet ist, welche an die Zuleitung eines zweiten Zusatz-Gasstromes angeschlossen ist.
3. Anspruch 3:
   Pulver-Sprühorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsmündung eines sich zu ihrem Ende hin stetig erweiternde Öffnung aufweist.
4. Anspruch 4:
   Pulver-Sprühorgan nach Anspruch 1, 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß um die Mündungsöffnung herum eine hohlkegel- oder fächerförmig nach außen blasende Ringdüse bzw. ein entsprechender Kranz von Einzeldüsen angeordnet sind, die an die Zuleitung eines dritten Zusatz-Gasstromes angeschlossen sind.
5. Anspruch 5:
   Pulver-Sprühorgan nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß alle 3 Zusatz-Gasströme sowie das zuströmende Pulver-/Gasgemisch einzeln, gemeinsam oder gruppenweise zusammengefasst mit an sich bekannten Mitteln in Menge bzw. Druck regelbar sind.