EP0978319A1 - Pulversprüheinrichtung mit interner und externer Aufladung - Google Patents

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EP0978319A1
EP0978319A1 EP98114846A EP98114846A EP0978319A1 EP 0978319 A1 EP0978319 A1 EP 0978319A1 EP 98114846 A EP98114846 A EP 98114846A EP 98114846 A EP98114846 A EP 98114846A EP 0978319 A1 EP0978319 A1 EP 0978319A1
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Johann Christoph Dr. Rer.Nat. Nienburg
Jörg Dr. rer.nat. Sopka
Josef Wittmann
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    • B05B5/08—Plant for applying liquids or other fluent materials to objects
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
    • B05B5/03—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns characterised by the use of gas, e.g. electrostatically assisted pneumatic spraying
    • B05B5/032—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns characterised by the use of gas, e.g. electrostatically assisted pneumatic spraying for spraying particulate materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
    • B05B5/053—Arrangements for supplying power, e.g. charging power
    • B05B5/0533—Electrodes specially adapted therefor; Arrangements of electrodes

Definitions

  • the invention relates to a powder spray device with internal and external charging, which is suitable for electrostatic powder coating is.
  • FIG. 5 shows a known spray gun. It has a chamber 100 into which a powder / air mixture PL can be initiated.
  • the spray gun contains a ground electrode 10 a metallic ring 150 distributed needle-shaped inner high-voltage electrodes 2, and at least one outer high-voltage electrode designed as a needle 5.
  • a high-voltage source designed as a high-voltage cascade 6 supplies high voltage via an electrical connection 30 and the ring 150 to the electrodes 5, 2.
  • the at least one outer high-voltage electrode 5 can be arranged as an option designated additional electrode with which an electric field and an additional Corona are generated outside, which increase the order efficiency should.
  • the electric field generated by the outer needle 5 generates a force on the electrically charged particles.
  • the outer corona can be another Cause charge and repulsion between the ions and the charged Powder particles can cause the spray cloud to expand. Which of the listed physical factors are dominant, depends on the powder output, the properties of the powder (good or poor chargeability) and the distance to the workpiece.
  • both the inner and the external charge required for a sufficiently large charge of the powder particles With larger amounts of powder (greater than 200 g / min), both the inner and the external charge required for a sufficiently large charge of the powder particles.
  • a cascade with a relatively high internal resistance is used for high voltage generation (negative DC voltage).
  • the open circuit voltage U 0 this is the output voltage of the cascade in the unloaded state, is usually in the range from approximately - 80 kV to - 100 kV.
  • the internal resistance of the cascade R i is in the range of approx. 400 M ⁇ to 600 M ⁇ .
  • the maximum output current of the cascade is approx. 80 ⁇ A ... 120 ⁇ A.
  • the usage of cascades with larger output voltages and smaller internal resistances is not possible for security reasons.
  • the relevant standards in Europe and America demand that the air-powder mixture under no circumstances may be ignited by electrical discharges. Among other things limits the performance of the cascade. Further measures to avoid Ignitions are series resistors and avoidance of electrode arrangements, which lead to a high electrical capacity.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a powder spraying device, with which an improved consistency of the order efficiency can be achieved leaves.
  • the ratio of the inner and outer currents is set specifically and changes in distance changes only within narrow limits.
  • the ratio of the inner and outer currents is set specifically and changes in distance changes only within narrow limits.
  • the typical nominal distance of Approx. 70% of the current flows 200 mm to the workpiece via the electrodes for the internal charging and 30% via the external electrode.
  • Fig. 1 shows a front and a side view of a ring 1 from a high-resistance material.
  • a high-resistance material for ring 1 and others - High-resistance components described below can e.g. a plastic can be used, which is filled with graphite, carbon black or other conductive substances.
  • the ring 1 In the ring 1 are - evenly distributed over its inner circumference - several needle-shaped inner high voltage electrodes 2 used.
  • the ring 1 is over one high-resistance rod 3 with a high-voltage source 6 (see FIGS. 2 and 5) connectable.
  • the connection point 11 for the rod 3 is in the middle of a two electrodes 2 lying ring piece.
  • About a high-resistance pin 4 is one needle-shaped outer high-voltage electrode 5 at a connection point 12 connected to the rod 3.
  • FIG. 2 shows the complete electrical equivalent circuit diagram of an arrangement shown in FIG. 1, which is connected to a high-voltage cascade, for better understanding.
  • the cascade 6 is simulated by an ideal voltage source with the voltage U 0 and the resistor R i .
  • the discharge distances for the inner 7 and the outer charge 8 are given by their current-voltage characteristics. Ring pieces lying between the inner electrodes 2 are each modeled by resistors R 1 .
  • the resistance of the rod 3 is divided by the connection point 12 for the pin 4 into resistors R 2 and R 3 .
  • the rod 4 is simulated by the resistor R 4 .
  • the resistor R a combines the resistors R i and R 3 .
  • the components relevant for the internal discharge were combined in a first approximation by a resistor R b and a gas discharge path 9.
  • R c is equal to R 4 .
  • characteristic curve 10 applies to the internal discharge and characteristic curve 11 and 12 for external unloading at two different distances from the workpiece. The The distance is smaller for characteristic curve 11 than for characteristic curve 12.
  • the parameters C i , U i0 , C a and U a0 can be determined from the geometric dimensions and the material parameters using a numerical field calculation. However, an experimental check is recommended.
  • the first approximation for R c is that the larger R c , the greater the edge effect.
  • Resistor R 1 should be in the range of approximately 10 M ⁇ to approximately 30 M ⁇ . This resistance prevents field strength increases and thus high currents when the powder comes into direct contact with the internal needles.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pulversprüheinrichtung mit gleichzeitig interner und externer Aufladung, die für eine elektrostatische Pulverbeschichtung geeignet ist. Um eine verbesserte Konstanz des Auftragswirkungsgrades, weitgehend unabhängig vom Abstand der Pulversprüheinrichtung vom Werkstück zu erzielen, wird vorgeschlagen, sowohl innere Hochspannungselektroden (2) als auch äußere Hochspannungselektroden (5) über hochohmige Komponenten (1, 3, 4) mit einer Hochspannungsquelle (6) zu verbinden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pulversprüheinrichtung mit gleichzeitig interner und externer Aufladung, die für eine elektrostatische Pulverbeschichtung geeignet ist.
Eine solche Pulversprüheinrichtung ist aus der WO 98/24555 bekannt. Fig. 5 zeigt eine daraus bekannte Sprühpistole. Sie weist eine Kammer 100 auf, in die ein Pulver/Luftgemisch PL einleitbar ist. Die Sprühpistole enthält eine Erdelektrode 10, an einem metallischen Ring 150 verteilt angeordnete nadelförmige innere Hochspannungselektroden 2, sowie wenigstens eine äußere, als Nadel ausgeführte Hochspannungselektrode 5. Eine als Hochspannungskaskade ausgeführte Hochspannungsquelle 6 liefert über eine elektrische Verbindung 30 und den Ring 150 Hochspannung an die Elektroden 5, 2.
Die wenigstens eine äußere Hochspannungselektrode 5 ist als wahlweise anordenbare zusätzliche Elektrode bezeichnet, mit der ein elektrisches Feld und eine zusätzliche Korona außerhalb erzeugt werden, die den Auftragswirkungsgrad erhöhen sollen. Das durch die äußere Nadel 5 generierte elektrische Feld erzeugt eine Kraft auf die elektrisch geladenen Partikel. Außerdem kann die äußere Korona eine weitere Aufladung bewirken und die Abstoßung zwischen den Ionen und den geladenen Pulverpartikel kann zu einer Aufweitung der Sprühwolke führen. Welche der aufgeführten physikalischen Einflußfaktoren dominierend sind, hängt von der Pulverausstoßmenge, den Eigenschaften des Pulvers (gute oder schlechte Aufladbarkeit) und dem Abstand zum Werkstück ab.
Bei kleinen Pulvermengen (bis ca. 150 g/min) und normal aufladbaren Pulvern kann allein mit der inneren Aufladung eine hinreichend gute Ladungsmenge auf die Pulverpartikel gebracht werden. Das durch die äußere Nadel aufgebaute elektrische Feld bewirkt eine auf die Pulverpartikel wirkende Kraft F = E*q . Abhängig von der Spannung an der Nadelspitze wird sich ein mehr oder weniger ausgeprägter Kanteneffekt bzw. Umgriff ergeben. Mit der Höhe des Stromes kann die Breite der Sprühwolke beeinflußt werden.
Bei größeren Pulvermengen (größer 200 g/min) ist sowohl die innere als auch die äußere Aufladung für eine hinreichend große Aufladung der Pulverpartikel erforderlich.
Der Nachteil einer Anordnung mit metallischer Verbindung zwischen den Elektroden ist jedoch, daß der Strom und die Spannung an der externen Nadel stark abhängig sind vom Abstand zwischen Pistole und Werkstück. Bei einem kleinen Abstand fließt ein viel größerer Strom und die Spannung ist kleiner als bei einem großen Abstand. Dadurch kann sich insbesondere bei hohen Pulverausstoßmengen die Tendenz verstärken, daß der Auftragswirkungsgrad um so größer ist, je kleiner der Abstand ist.
Diese Tendenz ist in der Praxis jedoch nicht erwünscht. Man strebt in einem technisch sinnvollen Bereich (100 mm ... 250 mm) an, daß der Auftragswirkungsgrad unabhängig vom Abstand gleichmäßig hoch ist.
Für die Hochspannungserzeugung (negative Gleichspannung) wird eine Kaskade mit einem relativ hohen Innenwiderstand verwendet. Die Leerlaufspannung U0, dies ist die Ausgangsspannung der Kaskade im unbelasteten Zustand, liegt dabei üblicherweise im Bereich von ca. - 80 kV bis - 100 kV. Der Innenwiderstand der Kaskade Ri liegt im Bereich von ca. 400 MΩ bis 600 MΩ. Die tatsächliche Ausgangsspannung der Kaskade Uc berechnet sich dann mit dem Ausgangsstrom Ic nach folgender Gleichung: Uc = U0 - IcRi
Der maximale Ausgangsstrom der Kaskade beträgt ca. 80 µA ... 120 µA. Die Verwendung von Kaskaden mit größeren Ausgangsspannungen und kleineren Innenwiderständen ist aus Sicherheitsgründen nicht möglich. Die einschlägigen Standards in Europa und Amerika fordern, daß das Luft - Pulver - Gemisch unter keinen Umständen durch elektrische Entladungen gezündet werden darf. Damit wird unter anderem die Leistung der Kaskade begrenzt. Weitere Maßnahmen zu Vermeidung von Zündungen sind Vorwiderstände und eine Vermeidung von Elektrodenanordnungen, die zu einer hohen elektrischen Kapazität führen.
Bei der Pulverapplikation versucht man mit einem konstanten Abstand zu arbeiten. Jedoch läßt es sich aus verschiedenen Gründen nicht vermeiden, daß sich der Abstand zum Werkstück verändert (z.B. an Kanten).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pulversprüheinrichtung anzugeben, mit der sich eine verbesserte Konstanz des Auftragswirkungsgrades erzielen läßt.
Diese Aufgabe wird durch eine Pulversprüheinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben und ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungsfiguren.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Anordnung von internen und externen Elektroden einschließlich hochohmiger Verbindungsteile,
Fig. 2
ein vollständiges elektrisches Ersatzschaltbild zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung,
Fig. 3
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild,
Fig. 4
zugehörige Strom-Spannungs-Charakteristiken, und
Fig. 5
eine aus dem Stand der Technik bekannte Pulversprüheinrichtung, in die die in Fig. 1 gezeigte Anordnung anstelle der in Fig. 5 gezeigten Elektrodenanordnung einsetzbar ist.
Das angestrebte Ziel einer verbesserten Konstanz des Auftragswirkungsgrades wird mit der erfindungsgemäßen Pulversprüheinrichtung dadurch erreicht, daß das Verhältnis der inneren und äußeren Ströme gezielt eingestellt wird und sich bei Abstandsänderungen nur in engen Grenzen ändert. Beim typischen Nennabstand von 200 mm zum Werkstück fließen etwa 70 % des Stromes über die Elektroden für die interne Aufladung und 30 % über die externe Elektrode.
Fig. 1 zeigt in einer Vorder- und einer Seitenansicht einen Ring 1 aus einem hochohmigen Material. Als hochohmiges Material für den Ring 1 und weitere - nachstehend beschriebene - hochohmige Komponenten kann z.B. ein Kunststoff verwendet werden, der mit Graphit, Ruß oder anderen leitfähigen Stoffen gefüllt ist.
In den Ring 1 sind - über seinen inneren Umfang gleichmäßig verteilt - mehrere nadelförmige innere Hochspannungselektroden 2 eingesetzt. Der Ring 1 ist über einen hochohmigen Stab 3 mit einer Hochspannungsquelle 6 (siehe Fig. 2 und Fig. 5) verbindbar. Die Anschlußstelle 11 für den Stab 3 liegt in der Mitte eines zwischen zwei Elektroden 2 liegenden Ringstückes. Über einen hochohmigen Stift 4 ist eine nadelförmige äußere Hochspannungselektrode 5 an einer Anschlußstelle 12 mit dem Stab 3 verbunden.
Die mit einer solchen Anordnung erreichbare Strom- und Spannungsverteilung wird durch die Widerstandswerte der Komponenten 1, 3 und 4 und die Strom-Spannungs-Charakteristik der Gasentladungsstrecken
  • Nadelring - innere Erdelektrode
  • äußere Nadel - Werkstück
bestimmt.
Fig. 2 zeigt zum besseren Verständnis das vollständige elektrische Ersatzschaltbild einer in Fig. 1 gezeigten Anordnung, die mit einer Hochspannungskaskade verbunden ist. Die Kaskade 6 wird durch eine ideale Spannungsquelle mit der Spannung U0 und dem Widerstand Ri nachgebildet. Die Entladungsstrecken für die innere 7 und die äußere Aufladung 8 sind durch ihre Strom-Spannungs-Charakteristiken gegeben. Zwischen den inneren Elektroden 2 liegende Ringstücke sind jeweils durch Widerstände R1 nachgebildet. Der Widerstand des Stabs 3 ist durch die Anschlußstelle 12 für den Stift 4 in Widerstände R2 und R3 aufgeteilt. Der Stab 4 ist durch den Widerstand R4 nachgebildet.
Für eine Auslegung der Widerstände ist eine Vereinfachung des Ersatzschaltbildes zweckmäßig, welches in Fig. 3 dargestellt ist. Der Widerstand Ra faßt die Widerstände Ri und R3 zusammen. Die für die innere Entladung relevanten Komponenten wurden in erster Näherung durch einen Widerstand Rb und eine Gasentladungsstrecke 9 zusammengefaßt. Rc ist gleich R4.
Zugehörige typische Strom-Spannungs-Charakeristiken sind beispielhaft in Fig. 4 dargestellt. Die Kennlinie 10 gilt für die innere Entladung und Kennlinie 11 und 12 für die äußere Entladung bei zwei unterschiedlichen Abständen zum Werkstück. Der Abstand ist bei Kennlinie 11 kleiner als bei Kennlinie 12.
Sie können mit folgenden Gleichungen approximiert werden.
  • Innere Entladung Ii = Ci (Ui-Ui0)2 Ci und Ui0 sind Kenngrößen die vom geometrischen Aufbau der Pistole, die insbesondere vom Abstand des Nadelelektrodenringes von der inneren Erdelektrode abhängen.
  • Äußere Entladung Ia = Ca (Ua-Ua0)2 Ca und Ua0 sind Kenngrößen die sowohl vom geometrischen Aufbau der Pistole aber wesentlich stärker vom Abstand der Pistole vom Werkstück als auch von der Form des Werkstückes abhängen. Es ergeben sich also verschiedene Charakteristiken für verschiedene Positionen des Werkstückes.
Die Kenngrößen Ci, Ui0, Ca und Ua0 sind aus den geometrischen Abmessungen und den Materialkennwerten mit einer numerischen Feldberechnung ermittelbar. Eine experimentelle Überprüfung ist aber empfehlenswert.
Der Einfluß der Menge des geförderten Pulvers kann hier vernachlässigt werden.
Das Ersatzschaltbild wird durch folgendes Gleichungssystem beschrieben: U0= RaCa(Ua-Ua0)2+(Ra+Rb)Ci(Ui-Ui0)2+Ui U0= RaCi(Ui-Ui0)2+(Ra+Rc)Ci(Ua-Ua0)2+Ua
Mit diesen Gleichungen lassen sich die Werte für die Widerstände optimieren. In einem Ausführungsbeispiel haben sich folgende Richtwerte ergeben:
  • Ra = 400 MΩ ...600 MΩ
  • Rb = 20 MΩ ... 200 MΩ
  • Rc = (2 ...5) * Rb
    • Für Rc gilt in erster Näherung, daß je größer Rc, desto größer der Kanteneffekt.
    Der Widerstand R1 sollte im Bereich von ca. 10 MΩ bis ca. 30 MΩ liegen. Dieser Widerstand verhindert, daß es bei einem unmittelbaren Kontakt des Pulvers an den internen Nadeln zu Feldstärkeüberhöhungen und damit hohen Strömen kommt.

    Claims (6)

    1. Pulversprüheinrichtung, die für eine gleichzeitige innere und äußere Pulveraufladung eingerichtet ist, die eine Hochspannungsquelle (6), eine Erdelektrode (10), wenigstens eine äußere Hochspannungselektrode (5) und mehrere innere Hochspannungselektroden (2) aufweist, wobei die Hochspannungsquelle (6) über Anschlußelemente (3, 4) aus hochohmigem Material sowohl mit den äußeren Hochspannungselektroden (5), als auch mit einem Ring (1) aus hochohmigen Material verbunden ist, über dessen Umfang gleichmäßig verteilt die inneren Hochspannungselektroden (2) angeordnet sind.
    2. Pulversprüheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die hochohmigen Komponenten (1, 3, 4) ein Kunststoff verwendet ist, der mit Graphit, Ruß oder anderen leitfähigen Stoffen gefüllt ist.
    3. Pulversprüheinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand der hochohmigen Komponenten (1, 3, 4) jeweils bei mehr als 1 MΩ liegt.
    4. Pulversprüheinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R1) der zwischen inneren Hochspannungselektroden (2) liegenden Ringstücke im Bereich von 10 bis 30 MΩ liegt.
    5. Pulversprüheinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine äußere Hochspannungselektrode (5) mittels eines hochohmigen Stifts (4) mit einem Zuleitungsstab (3) zum Ring (1) verbunden ist.
    6. Pulversprüheinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstände der hochohmigen Komponenten (1, 3, 4) so gewählt sind, daß sich bei einem Nennabstand von 200 mm zwischen Sprüheinrichtung und einem Werkstück eine Stromaufteilung von etwa 70% über die inneren Elektroden (2) und etwa 30% über die äußere Elektrode (5) ergibt.
    EP98114846A 1998-08-07 1998-08-07 Pulversprüheinrichtung mit interner und externer Aufladung Expired - Lifetime EP0978319B1 (de)

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