JP2009507639A - 塗料を循環させるシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

塗料循環システムは製品仕上げ設備におけるアプリケータに塗料を提供するのに好適である。このシステムはシステム内に塗料を送り込むポンプと、自体の上流に位置するシステム部分における塗料の圧力変動を実質的に解消する背圧調整器（ＢＰＲ）を含む。システム内を循環する塗料が所要の流量に維持される流量モードと、ポンプおよびＢＰＲ間における塗料圧が維持される圧力モードとのいずれかで動作するようにポンプおよびＢＰＲを制御する制御手段を設ける。塗料循環方法はポンプおよびＢＰＲを流量モードと圧力モードとの間で切り替える動作を含む。

Description

本発明は、自動吹付け仕上げ加工との併用に好適な塗料循環システムおよび方法に関する。

例えば、例えば自動車の製造に使用されるような従来の吹付塗装システムは、通常、多数の（例えば、噴霧アプリケータのような）ユーザーポイントへ配分するため、それぞれが色の異なる塗料を塗装ブースに供給する複数の独立した塗料ラインから成る。一般に、一度に一色だけが噴霧され或いは使用されるから、１つの通路だけが積極的に使用され、残りの通路は待機することになる。

通常、塗料を噴霧する作業がないためシステムが使用状態にない時でも、塗料を塗料タンクから通路を循環させながらタンクへ還流させることによって、噴霧圧と塗料ライン内での塗料の流速を維持するようになっている。このような方式を採用するのには２つの理由がある。第１の理由として、液状塗料は終始流動させないと塗料ライン中に色素沈着が始まる可能性がある。第２の理由として、噴霧開始に備えて通路内を必要な圧力にしておかなければならない。然しながら、ラインを所定圧力に維持するにはエネルギーを消費する。

塗料を噴霧に必要な圧力に維持するため、背圧調整器（ＢＰＲ）を塗料ポンプと組合わせて併用し、必要な流体圧および塗装ブースにおける流量を調整、維持する。従来のシステムにおけるＢＰＲは手動で調整され、ダイヤフラムに作用するコイルバネを利用して通路の幅を変化させる。このようにすれば、塗料タンクへ還流する流体の流量を制御することによってＢＰＲの上流における塗料圧の維持が容易になる。（例えば、いくつかタイプのタービンまたはローブポンプを採用するシステムのような）多くのシステムでは、固定の圧力および流量で動作するようにポンプが設定され、所要のシステム圧を維持するのにＢＰＲが使用される。このタイプのシステムでは、ＢＰＲが流量を調整することによってシステム圧を制御して、塗装ブースにおいて使用される流体量に現れる変動を補正する。従って、塗料を使用中であるか、単に循環させているだけかに関係なく、それぞれの通路が噴霧作業に必要な条件で動作させることが多い。これは極めて非能率的であり、結果として大きいエネルギーの浪費となる。例えば、本来１日に２４時間動作できるシステムがそれぞれの色を１日に１時間だけ噴霧すればよい場合がある。この場合、１日のうちの２３時間は塗料を噴霧時のシステム圧と流量で流動させる必要がないにもかかわらず、それぞれのポンプを１日２４時間に亘ってシステムの必要条件を満たすのに必要な圧力と流量で動作させることになる。

しかも、比較的長時間に亘って比較的高い流量と圧力を提供することを要求されるポンプは磨耗率が高く、もっと控えめに使用されるポンプよりも短い間隔でメンテナンスが必要になる。

本発明の目的は上記問題を軽減する塗料循環システムを提供することにある。

本発明の塗料循環システムはシステム内に塗料を循環させるためのポンプと、自体よりも上流における塗料の圧力変動を実質的に解消するための背圧調整器（ＢＰＲ）を含む。制御手段がシステム内を循環する塗料が所要の流量に維持される流量モードと、ポンプおよびＢＰＲ間における塗料圧が維持される圧力モードとのいずれかで動作するようにポンプおよびＢＰＲを制御する。

本発明の実施態様では、流量モードにおいて、塗料が圧力変動に応答することなく流動できるようにＢＰＲが作動を停止する。ＢＰＲが好ましくは自動式であり、ＢＰＲを作動および／または停止させる圧縮空気または油圧油のような作動手段が設けられている。ＢＰＲは一方の側にバネまたは流体圧が作用し、他方の側に塗料圧が作用するダイヤフラムの形に構成できる。流量モードにおいて、定流量で塗料を送り込むように制御手段がポンプを制御することができる。定流量は塗料に必要な最少流量またはこれよりもやや多い低流量であることが好ましい。

本発明の利点として、塗装ブースにおいて圧縮塗料を必要とされない時には、システムがＢＰＲおよびポンプを流量モードに切換えできることができる。この流量モードにおいては、通路内に高い塗料圧を維持する必要はなく、ポンプを一定した低い流量で動作させることによってエネルギー消費と磨耗を軽減することができる。

本発明の実施態様では、圧力モードにおいて、塗料圧の変動に応答して作動することによって、ＢＰＲがその上流において略一定の圧力を維持する。圧力モードにおいて、ポンプが一定の圧力で塗料を供給するように構成されていることが好ましい。ポンプは制御信号に応答して所定の圧力を維持する可変速ポンプまたは可変容量ポンプであればよい。制御信号の根拠となる圧力信号を提供する圧力センサーをポンプ出口またはシステムのその他の位置に設けることがきる。圧力信号を受信し、ポンプに制御信号を送信して所定の圧力を維持するように制御手段を構成することができる。

本発明の利点として、塗装ブースにおいて塗料が必要になると、ＢＰＲを作動させる（即ち、オンする）ことによってシステムを圧力モードにし、ポンプを運転することによって高圧の塗料を供給して、所要の流量および圧力で塗装ブースへ塗料を供給することができる。

本発明の実施態様では、コントローラを、リクエスト信号に応答して流量モードと圧力モードとの間でシステムを切り替えるように構成することができる。リクエスト信号は工場工程管理装置から、または「ジョブ待ち行列」データ処理装置から提供される。

本発明の１つの実施態様では、コントローラはプログラマブルコントローラまたはコンピュータデバイスに取付けられる制御カードである。制御カードには、システムにおけるセンサーから信号を受信し、ＢＰＲおよびポンプへ制御信号を提供するための複数の入出力端子を設ける。制御カードには、設定および監視のためのグラフィックシステムへのデータリンクを設けることができる。

制御カードは、それぞれが塗装ブースに塗料を提供する複数の塗料循環システムを制御するための複数のチャンネルを含むことができる。複数の塗料循環システムのそれぞれは塗装ブースに対して異なる色の塗料を提供することができる。

本発明の利点として、システムは「ジョブ待ち行列」データが循環システム動作パラメータを制御するように動作することができる。「ジョブ待ち行列」は、部品がコンベヤーシステムに載置された後の、自動車OEM, Tier 1または工場におけるこれら部品の位置を監視するソフトウェアによって収集されたデータと定義される。ジョブ待ち行列データを使用することによって、塗料弁に対してリクエスト信号を送信し、塗装ブースにおけるアプリケータへの塗料供給をオンオフすることができる。同様に、本発明のシステムでは、ジョブ待ち行列データを利用することによって、アプリケータにおける需要次第で、自動的に循環システムを加圧または減圧するリクエスト信号を提供することができる。これによって、塗料磨耗（せん断）、エネルギー消費およびポンプ部品の磨耗が軽減される。

図１において、塗料循環システム１０は液状塗料容器が収納されている塗料タンク１１を含む。ポンプ１２は塗料タンク１１から、必要なら塗料フィルタ１３を介して塗装ブース１４へ塗料を供給する。典型的な構成として、塗装ブース１４は、１または複数のアプリケータ１６を含む。例えば、これらのアプリケータとしてロボットアームによって操作される複数の噴霧ノズルとすることができよう。使用されない塗料は、塗装ブースを通過し、ＢＰＲ１５を介して塗料タンク１１へ還流される。

この構成では、塗料が使用されている時にシステム内の上流圧を所要のレベル、典型的には５〜１０バールに制御するため、ＢＰＲ１５が使用される。典型的なＢＰＲ１５は、一方の側がコイルバネの作用下にあるダイヤフラムを含む。ＢＰＲ１５に流入する塗料の圧力がコイルバネの力に抗してダイヤフラムを押圧することによって塗料の通路を開放する。塗料の圧力が低下するとダイヤフラムがバネの力に屈して移動し、通路を閉じるように作用する。これが塗料の流量に対する制約として作用する。即ち、ＢＰＲ１５において大きい圧力降下が起こり、その結果、上流圧が維持される。ダイヤフラムに作用するバネの力はＢＰＲ１５が設定されている上流圧を維持する作用を果すように予め設定される。

図１に示す公知の循環システム１は、塗料噴射口（即ち、アプリケータ１６）全部が同時に使用されると仮定して、これらの塗料噴射口からの最大流量需要を提供するように設定されたポンプ流量に基づいている。塗料の使用に伴って塗料ラインの圧力が低下すると、ＢＰＲ１５が閉じることで塗料タンク１１へ還流する流量を減らして所要の通路圧を維持する。

図２には本発明のシステム２０を示してあるが、図１に示す部品と等価の部品には同じ参照番号が付してある。このシステムでは、以下の説明においてスマートポンプと称する電動可変速度ポンプが塗料タンク１１から塗装ブース１４へ圧送する。ここに述べるスマートポンプは電動ポンプであるが、当業者には明らかなように、これに代わるポンプ、例えば、圧縮空気駆動式ポンプまたは油圧式駆動ポンプを使用することもできる。スマートポンプ２２は圧力センサー２４を含む。塗装ブース１４において使用されない塗料は以後スマートＢＰＲと呼称する自動制御ＢＰＲ２５を介して塗料短期１１へ還流される。スマートＢＰＲは適当な制御機構、例えば、圧縮空気または油圧油によって作動または停止させることができるようなタイプのものである。このようなレギュレータは本発明の出願人の出願にかかる英国特許出願「Back Pressure Regulator（背圧調整器）」に記載されており、その内容は参考のため本願明細書中に引用した。スマートポンプ２２およびスマートＢＰＲ２５はコントローラ２６から制御される。圧力センサー２４からの信号はコントローラ２６への入力となる。コントローラ２６としてはＰＬＣまたはその他の適当なプログラマブルデバイスを使用することができる。実施例では、コントローラは詳しくは後述するスマートカードである。

コントローラ２６はスマートポンプ２２およびスマートＢＰＲ２５を、流量モードまたは圧力モードで動作するように制御する。モードはジョブ待ち行列データから求めることができる。

アプリケータ１６が（ジョブ待ち行列データに従って）塗料を必要とすると、システム２０は圧力モードで運転される。スマートＢＰＲが作動して予め設定された圧力に相当する上流圧を維持するように、コントローラ２６が指令信号を発する。また、ユーザーは初始動時に、例えば、ラップトップまたはＰＣ入力を介してコントローラ２６のメモリーに所要のシステム圧を予め設定しておく。コントローラ２６は適当な制御ループによってポンプ速度を制御して圧力を維持する。圧力センサー２４が塗料ライン中の実際の圧力をコントローラ２６に伝達すると、コントローラ２６はこれに応答し、制御ループを介してスマートポンプ２２の速度を制御する信号を出力する。例えば、アプリケータ１６において消費される結果、通路内における塗料の圧力が設定圧よりも低下すると、ポンプ２２がスピードアップして圧力を維持する。但し、設定圧維持のため先ずはスマートＢＰＲ２５が動的に作用して塗料タンク１１への還流量を減らす。ＢＰＲ２５だけではもはやシステム圧を維持できない、という段階で初めてスマートポンプ２２がスピードアップする。

アプリケータへの材料補給が（ジョブ待ち行列データに従って）不要なら、システム２０は流量モードで運転される。ユーザーが材料メーカーから指示された所要最低塗料流速に合わせた最少流量を入力して置くと、コントローラはこの最少流量を実現するのに必要な速度で作動するようにスマートポンプ２２を制御する。コントローラ２６はスマートＢＰＲ２５を停止させる指令をも発する。スマートＢＰＲ２５は上流圧を維持する動作を止め、システムには配管の摩擦抵抗に起因する背圧が存在するだけとなる。この時点でエネルギー消費は最少となる。

図３に、図２のスマートポンプ２２およびスマートＢＰＲ２５を制御するコントローラ２６の実施例を詳細に図解した。このコントローラ２６はスマートカード３０を含む。典型例として、スマートカード３０はプラスチックキャリヤに収納され、専用または既存の制御パネル内のＤＩＮレールに取付け可能な１または複数のプリント回路盤（ＰＣＢｓ）から成る。スマートカード３０はプログラマブルメモリーおよびプロセッサなどの回路構成を含む。これに代わる実施態様として、スマートカードに、例えば、ＰＬＣまたはコンピュータのような外部プロセッサと通信するためのインターフェースを組み込むこともできる。スマートカード３０に複数の（例えば、８本の）チャンネルを設け、それぞれのチャンネルが、それぞれが色の異なる塗料を塗装ブースへ供給する複数の塗料ラインのそれぞれを制御するように構成することもできる。スマートカード３０のそれぞれのチャンネルは複数の入／出力端子を含む。

即ち、
システムモード信号を受信するためのディジタル入力４１
圧力センサー２４からの信号（例えば、４−２０ｍＡ）を受信するための入力４２
スマートポンプ２２の速度を制御するため、ＡＣ回転数インバータ３２へ回転数に相当する信号（例えば、４−２０ｍＡ）を送信する出力４３
スマートＢＰＲ２５への圧縮空気３６の供給を接続／遮断するための弁３４のスイッチングを制御するための（例えば、５０ｍＡにおいて２４Ｖを出力できる）出力４４
である。

スマートカード３０はシリアル通信リンク４５をも有する。このシリアル通信リンク４５はコンピュータ３８（例えば、ＰＣまたはラップトップ）とのデータリンクとして利用され、コンピュータ３８はスマートカードの設定、システムパラメータの監視、データ記録およびディスプレイに利用されるグラフィックシステムを含む。コンピュータ３８は１または複数の入力４７を介して、システムのその他の動作パラメータ、例えば、塗料フィルタ１３における差圧、塗料タンク１１における液位インジケータなどに関するデータをも受信することができる。スマートカード３０には１つの制御システムに複数のスマートカードを縦続できるように、他の同様のスマートカードとの間のデータリンク４６をも設けることができる。

使用に際しては、初始動時にラップトップまたはＰＣ３８から通信リンク４５を介してスマートカード３０へ設定値を入力する。工場内を搬送される部品に位置を監視するソフトウェアからのジョブ待ち行列データが、製造工程においてどの塗料系（即ち、どの色）を用意すべきかを指示し、このデータを受信したスマートカード３０がスマートポンプ２２およびスマートＢＰＲ２５を制御する。ジョブ待ち行列データは監視用ＰＣ３８へのシーシーアールラン(CCR LAN)またはディジタル入力４１を介してスマートカード３０に伝送される。

スマートカード３０におけるメモリーは、システムが圧力モードで動作中である場合、圧力センサー２４が感知した圧力に応答してスマートポンプ２２の動作に関する制御ループを画定するプログラムされた制御アルゴリズムを含む。

動作シーケンス

材料不使用状態（ジョブ待ち行列データは塗料が当面不要であることを示唆）
スマートポンプ２２は流量モードで動作する。予め設定される回転数は所定の最低塗料速度を維持するのに必要な低い流量に相当する。
スマートＢＰＲ２５は完全に無負荷状態（停止状態）にある。
システムは塗料ラインの圧力損失を克服するのに必要なだけの圧力下に、メーカー指定の最低流量で動作する。従って、塗料のせん断、エネルギー消費、およびポンプの磨耗が最少限に軽減される。

まもなく材料が必要になる状態（アプリケータに塗料が必要になる前の段階）
情報はジョブ待ち行列データによって自動的に提供される。
スマートＢＰＲ２５が作動して予め設定されたシステム圧を提供する。
スマートポンプ２２が圧力モードに切り替わる。圧力値は予め設定されており、コントローラ２６は圧力センサー２４が感知する圧力に対応する制御ループに従ってスマートポンプ２２を動作させる。
アプリケータ１６における需要に影響されてシステム圧が低下すると、ＢＰＲ２５が動的に閉じて圧力を維持する。ＢＰＲ２５の作用だけではシステム圧を維持できなくなると、スマートポンプ２２が自動的にスピードアップして圧力を設定レベルに維持する。
ジョブ待ち行列データが塗料はこれ以上必要でないことを示唆するまで、システムはこのモードで動作し続ける。

材料不要状態（塗装ブースにおいて塗料が必要でなくなった状態）
スマートポンプ２２が流量モードに切り替わる。予め設定された回転数は通路中の最低塗料速度そ維持するのに必要な流量に相当する。
スマートＢＰＲは完全に無負荷状態（停止状態）。

以上の説明がら明らかなように、圧力モードにおいて、塗装ブースにおける塗料圧の制御はスマートポンプ２２とスマートＢＰＲ２５の動作の組み合わせによって達成される。表１はアプリケータ１６から噴出される塗料の量に応じてスマートポンプ２２およびスマートＢＰＲ２５の作用下に塗料の流量がどのように変化するかを示す。この例では、５つのアプリケータＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４およびＡ５が設けられている。４通りの塗料使用率を示す。

状態１では、システムは圧力モードに切り替わっているが、アプリケータからは未だ塗料が噴射されていない。アプリケータにおける塗料圧が所要のレベルにあり、スマートＢＰＲを通って塗料のすべてがシステム内を循環するように、スマートポンプが９L/minの流量を設定する。

状態２では、２つのアプリケータがそれぞれ２L/minの流量で、１つのアプリケータは１L/minの流量で噴霧中であり、残りの２つは全く噴霧していない。噴霧される総流量は５L/minである。この状態において、流量がＢＰＲを通過することで４L/minに低下し、スマートポンプが９L/minの流量を提供し続けるのではなく、ＢＰＲを通って循環する塗料の流量は６L/minまで低下するだけであるのに対して、スマートポンプはスピードアップして流量を１１L/minにまで増大させたのである。

同様に状態３では、すべてのアプリケータがそれぞれ２L/minの流量で（合計で１０L/min）噴霧している間、スマートポンプがスピードアップして１３L/minの流量で噴射し、ＢＰＲを通って還流する流量は３L/minにまで低下した。即ち、噴霧される塗料の量は最初より多くなるにもかかわらず、スマートＢＰＲは依然として上流圧を制御している。従って、塗装ブースにおける塗料圧は、後で噴霧量が増大しても、依然としてスマートＢＰＲによって維持されることになる。

状態４では、アプリケータはそれぞれ３L/minの最大容量（総流量は１５L/min）で噴霧している。この場合、システムから噴射される塗料の量がそれ以上増大することはあり得ないから、ＢＰＲを通過させる必要は全くない。

従って、スマートＢＰＲは塗料タンクへの通路を閉じ、すべての流量がスマートポンプから提供される(１５L/min)。

公知の塗料循環システムの簡略図である。 本発明の塗料循環システムの簡略図である。 図２の塗料循環システムにおいて使用されるコントローラの簡略図である。

符号の説明

１０ 塗料循環システム
１１ 塗料タンク
１２ ポンプ
１３ 塗料フィルタ
１４ 塗装ブース
１６ アプリケータ
１５ 背圧調整器（ＢＰＲ）
２０ 塗装システム
２２ スマートポンプ
２４ 圧力センサー
２５ 背圧調整器（ＢＰＲ）
２６ コントローラ
３０ スマートカード

Claims (25)

1. 製品仕上げ設備におけるアプリケータに塗料を提供するのに好適な塗料循環システムにおいて、
   システム内に塗料を循環させるためのポンプと、
   上流側の塗料の圧力変動を実質的に解消するための背圧調整器と、
   システム内を循環する塗料が所要の流量に維持される流量モードと、ポンプおよびＢＰＲ間における塗料圧が維持される圧力モードとのいずれかで動作するようにポンプおよびＢＰＲを制御する制御手段とを具備する塗料循環システム。
2. 流量モードでは、塗料が圧力変動に応答することなく流動できるようにＢＰＲが作動を停止する請求項１に記載の塗料循環システム。
3. ＢＰＲが自動式であり、ＢＰＲを作動および／または停止させる作動手段が設けられている請求項２に記載の塗料循環システム。
4. 作動手段が圧縮空気である請求項３に記載の塗料循環システム。
5. 作動手段が油圧油である請求項３に記載の塗料循環システム。
6. ＢＰＲが一方の側にバネが作用し、他方の側に塗料圧が作用するダイヤフラムである請求項３に記載の塗料循環システム。
7. ＢＰＲが一方の側に流体圧が作用し、他方の側に塗料圧が作用するダイヤフラムである請求項３に記載の塗料循環システム。
8. 流量モードにおいて、定流量で塗料を送り込むように制御手段がポンプを制御する請求項１に記載の塗料循環システム。
9. 定流量が塗料に必要な最少流量またはこれよりもやや多い低流量である請求項８に記載の塗料循環システム。
10. 圧力モードにおいて、塗料圧の変動に応答して作動することによって、ＢＰＲがその上流において略一定の圧力を維持する請求項１に記載の塗料循環システム。
11. 圧力モードにおいて、ポンプが一定の圧力で塗料を供給する請求項１に記載の塗料循環システム。
12. ポンプが制御信号に応答して所定の圧力を維持する可変速ポンプである請求項１１に記載の塗料循環システム。
13. ポンプが制御信号に応答して所定の圧力を維持する可変容量ポンプである請求項１１に記載の塗料循環システム。
14. 制御信号の根拠となる圧力信号を提供する圧力センサーを設けた請求項１に記載の塗料循環システム。
15. 圧力信号を受信し、ポンプに制御信号を送信して圧力を維持するように制御手段を構成した請求項１４に記載の塗料循環システム。
16. コントローラがリクエスト信号に応答して流量モードと圧力モードとの間でシステムを切り替える請求項１に記載の塗料循環システム。
17. リクエスト信号が工場工程管理装置から提供される請求項１６に記載の塗料循環システム。
18. リクエスト信号が「ジョブ待ち行列」データ処理装置から提供される請求項１６に記載の塗料循環システム。
19. 制御手段がプログラマブルコンピュータデバイスに取付けられる制御カードである請求項１に記載の塗料循環システム。
20. システムにおけるセンサーから信号を受信し、ＢＰＲおよびポンプへ制御信号を提供するための複数の入出力端子を制御カードに設けた請求項１９に記載の塗料循環システム。
21. 制御カードに、設定および監視のためのグラフィックシステムへのデータリンクを設けた請求項１９に記載の塗料循環システム。
22. 制御カードが、それぞれが塗装ブースに塗料を提供する複数の塗料循環システムを制御する複数のチャンネルを含む請求項１９に記載の塗料循環システム。
23. 複数の塗料循環システムのそれぞれが色の異なる塗料を塗装ブースに提供する請求項２２に記載の塗料循環システム。
24. 塗料塗装ブースと併用される塗料循環システムにおいて、
    システム内を循環するように塗料を送り込むための可変速ポンプと、
    活動状態においては自体に流入する塗料の圧力変動に応答して上流の塗料圧を維持し、非活動状態において塗料を自由に通過させる背圧調整器と、
    流量モードおよび圧力モードのいずれかで動作するようにシステムを制御するコントローラと、
    流量モードにおいて、背圧調整器を非活動状態にし、ポンプを定速度で動作させることによって最低圧で所要流量の塗料をシステム内に循環させるようにコントローラを構成したことと、
    圧力モードにおいて、背圧調整器を活動状態にし、ポンプ速度を制御することによって塗装ブースにおける塗料圧を維持するようにコントローラを構成したことと、
    コントローラがリクエスト信号に応答して流量モードと圧力モードとの間でシステムを切り替える作用をも行なう前記塗料循環システム。
25. システム内に塗料を送り込むポンプと、自体の上流における塗料の圧力変動を実質的に解消する背圧調整器（ＢＰＲ）と、ポンプおよびＢＰＲを制御する制御手段とを含む塗料循環システムを運転して製品仕上げ設備におけるアプリケータに塗料を提供する方法において、
    ポンプおよびＢＰＲを、システム内を循環する塗料の所要の流量が維持される流量モードと、ポンプとＢＰＲとの間における塗料の圧力が維持される圧力モードとの間で切り替える動作を含む方法。

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