EP0314049A2 - Sprühpistole mit elektrokinetischer Aufladung von pulverförmigem Material - Google Patents

Abstract

Die Erfindung botrifft eine Sprühpistole mit elektrokinetischer Aufladung von pulverförmigem Material zum Zweck der elektrostatischen Beschichtung von Werkstücken mit Pulverlack. Das aufzutragende Plastpulvor wird beim pneumatischen Durchströmen eines ringspaltförmigen Isolierstoffkanals (8, 10) durch Überlagerung von triboelektrischen Effekten mit von diesen an einer passiven Ionisatorelektrode (61) ausgelösten Ionisationsprozessen aufgeladen. Erfindungsgemäß enthält der im Isolierstoffkanal (8, 10) angeordnete längliche Strömungsleitkörper (9, 10, 11) einen oder mehrere Abschnitte, die aus elektrisch halbleitendem Material bestehen oder eine solche Oberfläche besitzen und gegen die Ionisatorelektrode und untereinander elektrisch isoliert sind. Dadurch werden der Wirkungsbereich des Influenzionisators erweitert, die Pulveraufladung erhöht und funkenähnliche Gleitentladungen im Strömungskanal sowie Durchschläge der Kanalwand verhindert.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sprühpistole mit elektroki­netischer Aufladung von pulverförmigem Material zur elektrostatischen Oberflächenbeschichtung von Gegenstän­den mit Pulverlack. Sie kann sowohl als manuell oder automatisch geführtes Sprühgerät als auch als Auflade­organ in Wirbelbett- oder Tunnelanlagen verwendet wer­den. Als Beschichtungsstoffe sind thermoreaktive oder thermoplastische Kunststoffe, Emaille oder ähnliche Ma­terialien in Pulverform einsetzbar.
• Es sind Sprühgeräte für die elektrostatische Oberflä­chenbeschichtung bekannt, bei denen der pulverförmige Beschichtungsstoff beim pneumatischen Durchströmen eines speziellen Kanals, der aus einem zur triboelektrischen Aufladung neigenden Isolierstoff besteht, durch Reibungs­effekte elektrisch aufgeladen und in der Austrittsöff­nung des Kanals durch Strömungsleitelemente (Prallkör­per) oder radiale Luftstrahlen zu einer hochdispersen Pulverwolke zerstäubt wird (DE 1577757, DE 2203351 und DE 2257316).
• Der Nachteil dieser Geräte besteht darin, daß nur Pul­ver, die zu einer sehr hohen triboelektrischen Aufladung neigen, eingesetzt werden können. Sie arbeiten außerdem mit einer relativ geringen Pulverkonzentration im Trä­gergas, um durch häufigen Kontakt der Pulverteilchen mit der Innenwand des Strömungskanals eine verfahrens­technisch ausreichende Pulveraufladung zu erzielen.
• Zur Erhöhung der elektrischen Ladung der Pulverteilchen wurden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, die auf eine Verstärkung der Turbulenz der Strömung und damit der Intensität und Häufigkeit der Wandberührungen durch die Pulverteilchen hinzielen, so die Verwendung von Flächenprofilierungen in der Kanalwand (DE 2209231), die Gestaltung des Strömungskanals in Form langer ge­krümmter Laderohre kleinen Querschnittes (DE 3100002) und der Einsatz eines Reibkegels (DD 134841) oder eines Strömungsleitkörpers mit spiralförmigen Nuten oder Ka­nälen (DE G 8516746) im Isolierstoffkanal (DD 134841) oder spezieller Wirbelerzeugungseinrichtungen in Form von Leitschaufeln (DE 2938606), Propeller (US 3.905.330) oder einem Gebläserrad (DE 2451514).
  Ferner sind konstruktive Ausführungsformen des tribo­elektrischen Aufladekanals bekannt, bei denen im Ab­Schnitt der Pulvereinströmung oder in der Austrittsöff­nung durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit an ge­krümmten Isolierstofflächen mittels zusätzlicher Luft­strahlen ein Unterdruck erzeugt wird, der die Pulver­teilchen an die Isolierstoffoberfläche führt (DE 2713697) oder durch Erzeugung einer schraubenlinienförmigen Teil­chenbahn (DE 2756009) eine intensivere Wandberührung verursacht wird.
• Weiterhin sind Lösungen für elektrostatische Sprühgeräte bekannt, bei denen das Pulver durch Überlagerung tribo­elektrischer Effekte mit von diesen ausgelösten Ionisa­tionsprozessen aufgeladen wird (DD 106308, DD 232595). Diese Sprühgeräte enthalten in der Eingangszone des triboelektrischen Aufladekanals eine als passiver In­fluenzionisator wirkende geerdete Elektrode. Die in einem Trägergas dispergierten Pulverpartikel erhalten zunächst eine Ladung durch triboelektrische Effekte bei der Berührung der Wandflächen des Isolierstoffkanals. Während die Ladung der Pulverteilchen mit der Strömung kontinuierlich aus dem Kanal heraustransportiert wird, verbleibt auf der Wand des Isolierstoffkanals eine gleichgroße Ladung entgegengesetzter Polarität. Sie wächst ständig an und influenziert auf der geerdeten Elektrode eine Ladung mit gleicher Polarität wie die Pulverladung, bis das sich zwischen beiden Ladungen aus­bildende Feld die elektrische Festigkeit des Trägergases übersteigt und vor der Elektrode eine Gasionisation ein­setzt.
• Die sich zur Wand des Isolierstoffkanals bewegenden Gas­ionen haben die gleiche Polarität wie die triboelek­trisch erzeugte Pulverladung. Sie führen zu einer Kom­pensation der Flächenladung auf der Wand des Isolier­stoffkanals und regenerieren damit die Oberfläche für eine weitere triboelektrische Aufladung. Gleichzeitig lagert sich ein Teil der Ionen an die vorbeiströmenden Pulverpartikel an und erhöht damit deren triboelektrisch erzeugte Ladung beziehungsweise werden auch die neutra­len Pulverteilchen, die ohne Wandberührung den Kanal durchströmen, elektrisch aufgeladen.
• Nachteil dieser Lösungen ist, daß die Ionisationspro­zesse in einem engen Strömungskanal erfolgen, der meist als schmaler Ringspalt ausgebildet ist, und dessen Iso­lierstofflächen bezüglich des axialen elektrischen Fel­des abschirmend wirken, so daß der Wirkungsbereich der Ionisatorelektrode auf den Anfangsabschnitt des Isolier­stoffkanals begrenzt ist. Die sich in entfernteren Be­ reichen ansammelnden hohen Flächenladungsdichten können zu störenden funkenähnlichen Gleitentladungen längs der Innenfläche des Isolierstoffkanals oder sogar zu Durch­schlägen der Kanalwand führen.
• Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe eine Sprühpistole mit elektrokinetischer Pulver­aufladung zu schaffen, die sich durch höhere und stabi­lere Pulveraufladung und Unterdrückung funkenähnlicher Gleitentladungen im Isolierstoffkanal sowie durch die Verhinderung von elektrischen Durchschlägen auszeichnet.
• Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß durch die Verwendung eines elektrisch halbleitenden Materials für den vorderen Stababschnitt der Wirkungsbereich der Influenzionisator­elektrode wesentlich erweitert wird. Durch Sprühentla­dungen von der Oberfläche des Stabes zu den Flächenla­dungen auf der gegenüberliegenden Innenwand des Hohl­stabes und auf den nachfolgenden Kanalabschnitten werden durch Neutralisation dieser Ladungen günstige Bedingun­gen für die weitere triboelektrische Aufladung geschaf­fen. Zugleich lädt sich der halbleitende Stababschnitt auf ein hohes Potential mit entgegengesetzter Polarität wie die Pulverladung auf, was die Ausbildung einer sta­bilen Koronaentladung von der Influenzionisatorelektro­de zu diesem Stababschnitt zur Folge hat, so daß die diese Zone passierenden Pulverteilchen durch Anlagerung von Gasionen zusätzlich aufgeladen werden. Zugleich be­grenzt die Koronaentladung des Potential des halbleiten­den Stababschnittes.
• Die Verwendung eines halbleitfähigen Stababschnittes hat weiterhin den Vorteil, daß die Flächenladungsdichte auf der Innenwand des Hohlstabes auf einen niedrigen Wert begrenzt wird, so daß sich im Isolierstoffkanal keine funkenähnliche Entladungen und keine elektrischen Durch­schläge der Kanalwand ausbilden können.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausfüh­rungsbeispiele ausführlich erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen Schnittdarstellungen verschiedener Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Lösung:
• Figur 1: eine Sprühpistole mit einem elektrisch halblei­tenden Abschnitt des zylindrischen Strömungs­leitkörpers;
• Figur 2: den Isolierstoffkanal mit bei konstantem Strö­mungsquerschnitt sich im Durchmesser erweitern­dem Strömungsleitkörper, der mehrere halblei­tende Stababschnitte enthält;
• Figur 3: den Hohlstab und Strömungsleitkörper mit Ab­schnitten, die eine kegelförmige Mantelfläche besitzen und
• Figur 4: eine Sprühpistole mit einem Strömungskanal in Form eines doppelten Ringspaltes.
• Das Prinzip der erfinderischen Lösung ist sehr deutlich in der Figur 1 zu erkennen. Das in einem Trägergasstrom dispergierte Pulver wird durch einen Zuführungskanal 1, der tangential in den Isolierstoffkanal einmündet, zu­geführt. Dem zweiten Zuführungskanal 2 wird ein Druck­ gas, in der Regel Luft, zugeführt, das durch Bohrungen in der Elektrodenhalterung 3 und den ringspaltförmigen Kanal zwischen der nadelförmigen Influenzelektrode 6 und der Isolierstoffumhüllung 5 in den nachfolgenden Strömungskanal eingeblasen wird. Das Gas umspült dabei die Influenzelektrode allseitig und verhindert so ein Ansintern des Pulvers. Ober den Kontaktring 4 ist die Influenzelektrode 6 an Erdpotential angeschlossen. Der Grundkörper 7 kann sowohl aus Isolierstoff als auch aus einem leitenden Material gefertigt sein.
• Der nachfolgende ringspaltförmige Strömungskanal dient zur elektrischen Aufladung des Pulvers. In einem Hohl­stab 8 aus zur triboelektrischen Aufladung neigendem Isolierstoff ist ein aus den Stababschnitten 10 und 11 bestehender zylindrischer Strömungsleitkörper mit einer kegelförmigen Spitze 9 zur Aufteilung der Strömung ein­gesetzt, wobei erfindungsgemäß der sich an die Spitze anschließende Stababschnitt 10 mit einer Länge von 25 bis 75 % der Länge des Strömungskanals aus elektrisch halb­leitendem Material besteht, während der nachfolgende Abschnitt 11 des Stabes aus dem gleichen Isolierstoff wie der Hohlstab gefertigt ist. Die beiden gegeneinander um 90° versetzten Bügel 13 dienen der zentrischen Hal­terung des verschiebbaren Stabes.
• Der halbleitende Stababschnitt kann auch in mehrere Teil­stücke aufgeteilt sein, die durch Zwischenstücke aus Isolierstoff gegeneinander isoliert sind (diese Lösung wurde nicht in der Zeichnung dargestellt).
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 2 ist der zentrische Strömungsleitkörper mittels eines Zentrierstabes 14 abwechselnd aus zylind­rischen und kegelstumpfförmigen Abschnitten zusammenge­setzt. In jedem der kegelstumpfförmigen Abschnitte 11a und 11b nimmt der Durchmesser des Strömungsleitkörpers zu. Die Innenfläche des Hohlstabes 8 ist durch buchsen­förmige Einsätze aus dem gleichen Isolierstoff der Stab­form so angepaßt, daß die ringförmige Querschnittsflä­che des Strömungskanals konstant bleibt. Die zylindri­schen Zwischenabschnitte 10a, 10b und 10c bestehen aus elektrisch halbleitfähigem Material. Ihre Oberflächen sind jeweils auf der strömungsabgewandten Seite angeord­net, so daß Pulveranlagerungen unterdrückt werden.
• In einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung, darge­stellt in Figur 3, sind Stababschnitte mit zylindrischer und kegelförmiger Mantelfläche so hintereinander ange­ordnet und die Innenfläche des umhüllenden Hohlstabes durch entsprechende Einsätze 15a und 15b so angepaßt, daß sich ein im Querschnitt konstanter, im mittleren Durchmesser aber periodisch ändernder ringförmiger Strö­mungskanal ergibt, was eine sich mehrfach ändernde Strö­mungsrichtung zur Folge hat und durch eine intensivere Wandreibung zu einer höheren triboelektrischen Aufladung führt. Die Stababschnitte 10a und 10d mit zur Strömungs­richtung abgewandter Oberfläche sind aus elektrisch halbleitendem Material hergestellt oder besitzen eine solche Oberfläche. Sie sind in unmittelbarer Nähe der Isolierstofflächen mit intensiver Wandberührung angeord­net und erleichtern dort die Ladungsneutralisation.
• Ein anderes zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung zeigt Figur 4. Das Pulver wird über den axialen Ka­nal 1, 16 zugeführt und durchströmt dabei die Influenz­ionisatorelektrode 17 die eine scharfe Vorderkante auf­weist und ringförmig ausgebildet ist und durch die Ka­näle 18 ebenfalls gasumspült ist um Verkrustungen durch anhaftendes Pulver zu vermeiden. Das Druckgas wird dem Zuführungskanal 2 zugeführt. Durch Einsatz einer rohr­förmigen Hülse 20 zwischen Hohlstab 8 und Innenstab 10 wird ein Teil der Länge des Isolierstoffkanals als dop­pelter Ringspalt ausgebildet, der vom Pulver durchströmt wird.
• Erfindungsgemäß ist auf der Länge dieses Abschnittes die konzentrische Hülse und/oder der zentrische Stab 10 ganz oder teilweise aus halbleitendem Material hergestellt. Der Stab 10 und die Hülse 20 werden durch die sternför­migen Zentrierelemente 19 in ihrer Position gehalten. Der Strömungsquerschnitt ist über die Gesamtlänge des Strömungskanals, das heißt im Abschnitt des Doppelspal­tes und im nachfolgenden Einfachspalt, im wesentlichen konstant. Durch die Vergrößerund der Oberfläche relativ zum Querschnitt werden die triboelektrischen Effekte stark intensiviert, ohne daß der Strömungswiderstand zunimmt.
• Als besonders vorteilhaft für die elektrisch halbleiten­den Abschnitte des Strömungsleitkörpers wurde ein Mate­rial gefunden, das eine elektrische Leitfähigkeit von 10⁻⁹ bis 10⁻⁶ S m⁻¹ aufweist, vorzugsweise 10⁻⁸ bis 10⁻⁷ S m⁻¹. In diesem Bereich ist die Leitfähigkeit der Stababschnitte zwar hoch genug, daß sich eine gleich­mäßig über die Oberfläche verteilte Gasionisation aus­ bilden kann, sie reicht aber noch nicht zur Bildung von Funkenentladungen zu anderen Stababschnitten oder ge­erdeten leitfähigen Teilen der Sprühpistole beziehungs­weise zum Werkstück aus. Die gleiche Wirkung wird bei der Verwendung von Isolierstoff mit einer halbleitenden Oberflächenschicht erreicht, deren spezifischer Oberflä­chenwiderstand R₀ 10⁸ bis 10¹⁰ Ohm beträgt, vorzugs­weise (0,5...5) 10⁹ Ohm, gemessen mit zwei 10 cm langen Schneidenelektroden in 1 cm Abstand nach dem DDR-Stan­dard TGL 15347.
• Als sehr günstiger Werkstoff für die halbleitenden Stab­abschnitte hat sich das zur triboelektrischen Aufladung neigende Polytetrafluorethylen (PTFE) mit 3 bis 12 % Graphitanteil erwiesen.

Claims (9)

1. Sprühpistole mit elektrokinetischer Aufladung von pulverförmigem Material in einem vom Pulver durch­strömten Isolierstoffkanal, der aus einem Hohlstab und einem darin zentrisch angeordneten länglichen Strömungsleitkörper besteht und ringspaltartig aus­gebildet ist und in dessen Eingangszone eine als pas­siver Ionisator wirkende vorzugsweise geerdete Elek­trode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrische Strömungsleitkörper einen oder mehrere Abschnitte enthält, die aus elektrisch halbleitendem Material bestehen oder eine solche Oberflächenschicht besitzen und gegenüber der Ionisatorelektrode sowie untereinander elektrisch isoliert sind.

2. Sprühpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitkörper als zylindrischer Stab mit einer kegelförmigen Spitze (9) ausgebildet ist und ein bezüglich der Strömungsrichtung am Anfang liegender Stababschnitt (10) von 25 bis 75 % der Stablänge aus elektrisch halbleitendem Material be­steht oder eine solche Oberfläche besitzt, während die übrigen Teile des Strömungskörpers (11, 12) aus dem gleichen, zur triboelektrischen Aufladung geeig­neten Isolierstoff wie der Hohlstab (8) bestehen.

3. Sprühpistole nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Strömungsleitkörper aus mehre­ren Abschnitten zusammengesetzt ist, wobei abwech­selnd Abschnitte aus elektrisch halbeitendem Mate­rial und Abschnitte aus zur triboelektrischen Auf­ ladung neigendem Isolierstoff aufeinanderfolgen.

4. Sprühpistole nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Strömungsleitkörper aus Abschnitten mit zylindrischer und Abschnitten mit kegelförmiger Mantelfläche zusammengesetzt und die Innenwand des Hohlsabes diesem Verlauf entsprechend angepaßt ist, so daß ein im Querschnitt im wesentlichen konstanter Strömungskanal mit sich abschnittsweise ändernder Strömungsrichtung entsteht, wobei einzelne Abschnitte (10a bis d) des Strömungsleitkörpers, vorzugsweise solche mit strömungsabgewandter Oberfläche, aus elek­trisch halbeitendem Material bestehen oder eine solche Oberflächenschicht besitzen.

5. Sprühpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Teil der Kanallänge zwischen dem zentri­schen Stab und der Innenwand des Hohlstabes (8) eine rohrförmige Hülse koaxial so angeordnet ist, daß ein doppelter Ringspalt entsteht, wobei der innere Stab (10) und/oder die rohrförmige Hülse (20) aus elek­trisch halbleitendem Material bestehen.

6. Sprühpistole nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die elektrisch halbleitenden Abschnitte des Strömungsleitkörpers aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 10⁻⁹ bis 10⁻⁶ S m⁻¹ bestehen.

7. Sprühpistole nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die elektrisch halbleitenden Abschnitte des Strömungsleitkörpers aus einem Isolierstoff mit einer elektrisch halbeitenden Oberflächenschicht be­stehen, deren spezifischer Oberflächenwiderstand 10⁷ bis 10¹⁰ Ohm gemessen mit zwei 10 cm langen Schneidenelektroden in 1 cm Abstand (nach DDR-Stan­dard TGL 15367) beträgt.

8. Sprühpistole nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß die elektrisch halbleitenden Abschnitte des Strömungsleitkörpers aus zur triboelektrischen Aufladung neigendem Isolierstoff mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln bestehen.

9. Sprühpistole nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch halbleitenden Abschnitte des Strö­mungsleitkörpers aus Polytetrafluoräthylen mit 3 bis 12 % Graphit bestehen.

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