JP2014012239A - 多ノズル式スプレーヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスプレーノズルを具備した多ノズル式スプレーヘッドにおいて、構造の複雑化を抑えた上で複数のスプレーノズルの噴射流量の均等化を図る。
【解決手段】単一の塗料導入流路２１から複数のスプレーノズル１１に向けて、何れのスプレーノズル１１に向かう経路でも相互に同数の二分岐を繰り返し、かつ同段階で二分岐する分岐流路の長さが全て等しく、さらに何れのスプレーノズル１１に向かう経路も等長となるように設けられる塗料供給多岐流路１８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二流体ノズルを複数使用したエア霧化式の多ノズル式スプレーヘッドに関する。

一般に、吹き付け塗装の塗着効率（通常５０〜６０％程度）を向上させるには、スプレーパターンを極力絞って霧化された塗料粒子の被塗装物方向への慣性力を高くする必要があり、その一つの手段として至近距離で塗料を吹き付けることが有効である。すなわち、スプレーノズルを塗装面から数センチメ−トルの距離で移動させながら吹き付け塗装することで、霧化された塗料粒子を高い塗着速度で塗装面へ衝突させることが可能となり、その結果、塗着効率を９０％以上確保することが可能となる。

一方、スプレー距離が小さい場合（スプレーノズルと塗装面とが近い場合）、塗装面積を確保するにはスプレーノズルの移動速度を極端に高くする必要があり、非実用的である。
一回のスプレーノズル移動操作で吹き付けられるウェット塗膜を適度に薄くするには、スプレーノズルの吐出量を小さくする必要がある。この場合、生産速度を落とさず塗装面積を拡大するために、複数のスプレーノズルを具備した多ノズル式スプレーヘッドを用いることがある（例えば、特許文献１，２参照。）。

特開２０００−１６７４４６号公報 特開２００１−７２１９６号公報

ところで、複数のスプレーノズルの噴射流量は、塗装ムラを無くすために均等にする必要があるが、そのために各スプレーノズルに流量調節機器を設置したりすると、多ノズル式スプレーヘッドを含む塗装機の構造が複雑になって大型化及びコストアップを招くという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数のスプレーノズルを具備した多ノズル式スプレーヘッドにおいて、構造の複雑化を抑えた上で複数のスプレーノズルの噴射流量の均等化を図ることを課題とする。

上記課題の解決手段として、本発明は、複数のスプレーノズルと、前記複数のスプレーノズルよりも少数の塗料導入部と、前記塗料導入部から前記複数のスプレーノズルに向けて、何れのスプレーノズルに向かう経路でも相互に同数の二分岐を行い、かつ同段階で二分岐する分岐流路の長さが全て等しく、さらに何れのスプレーノズルに向かう経路も等長となるように設けられる多岐流路と、を備えることを特徴とする多ノズル式スプレーヘッドを提供する。
上記多ノズル式スプレーヘッドは、前記多岐流路の各分岐流路の両端の圧力を、前記塗料導入部側から順にＰ_ｎ、Ｐ_ｎ−１、Ｐ_ｎ−２…としたときに、前記各圧力が下記式で示される関係を満たす構成であってもよい。
（Ｐ_ｎ−Ｐ_ｎ−１）≦１／２（Ｐ_ｎ−１−Ｐ_ｎ−２）
上記多ノズル式スプレーヘッドはさらに、半径ｒ、長さＬの前記各分岐流路を通じて粘度ηの流体が一定時間で流れる流量Ｑが、前記各分岐流路の両端の圧力勾配をΔＰとして下記式で示される関係を満たす構成であってもよい。
Ｑ＝｛（πｒ^４／８）｝・｛ΔＰ／ηＬ｝

本発明によれば、複数のスプレーノズルを具備する多ノズル式スプレーヘッドにおいて、構造の複雑化を押さえた上で複数のスプレーノズルの噴射流量の均等化を図ることができる。

本発明の実施形態における多ノズル式スプレーヘッドの概略構成図である。 本発明の実施形態の比較例の概略構成図である。 上記多ノズル式スプレーヘッドの断面図である。 上記多ノズル式スプレーヘッドの本体部を蓋部の方向から見た矢視図である。 上記多ノズル式スプレーヘッドのノズル長さとノズル圧力損失との関係を示す第一のグラフである。 上記多ノズル式スプレーヘッドのノズル長さとノズル圧力損失との関係を示す第二のグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示す多ノズル式スプレーヘッド１０は、二流体ノズルとしてのスプレーノズル１１を複数（図１では１６個）具備してなる。多ノズル式スプレーヘッド１０のヘッド本体１５には、各スプレーノズル１１の塗料噴射通路に塗料を供給する塗料供給系２と、各スプレーノズル１１の霧化エア噴射通路に霧化エアを供給する霧化エア供給系（不図示）とが接続される。

各スプレーノズル１１は、前記塗料噴射通路の外周に前記霧化エア噴射通路を並列に配置した構成を有する。前記塗料噴射通路の先端開口である塗料噴射口の周囲には、前記霧化エア噴射通路の先端開口である霧化エア噴射口が配置される。各スプレーノズル１１はヘッド本体１５と一体に設けられる。前記塗料噴射通路、塗料噴射口、霧化エア噴射通路及び霧化エア噴射口はヘッド本体１５内に形成される。

ヘッド本体１５は、塗料供給系２の流路を接続する単一の塗料供給口１６を有する。ヘッド本体１５内には、塗料供給口１６に連なる塗料導入流路２１から複数のスプレーノズル１１に合わせて分岐して各スプレーノズル１１の塗料噴射通路に至る塗料供給多岐流路１８が形成される。なお、ヘッド本体１５は、前記霧化エア供給系の流路を接続する単一の霧化エア供給口（不図示）を有し、ヘッド本体１５内には、前記霧化エア供給口から複数のスプレーノズル１１に合わせて分岐して各スプレーノズル１１の霧化エア噴射通路に至る霧化エア供給多岐流路（不図示）が形成される。

各スプレーノズル１１は、塗料供給多岐流路１８から前記塗料噴射通路に塗料が供給されると共に、前記霧化エア供給多岐流路から前記霧化エア噴射通路に霧化エア（圧縮空気）が供給されることで、前記塗料噴射口から噴射した塗料を前記霧化エア噴射口から噴射した霧化エアによって霧化して噴霧する。噴霧された塗料粒子は、各スプレーノズル１１の噴射方向に例えば円錐状のスプレーパターンを形成しつつ塗装面に吹き付けられる。

塗料供給系２は、不図示の塗料タンクから各スプレーノズル１１の塗料噴射通路に向けて塗料を送液する。
前記霧化エア供給系は、不図示のコンプレッサから各スプレーノズル１１の霧化エア噴射通路に向けて霧化エア（圧縮空気）を供給する。

塗料供給多岐流路１８は、塗料供給口１６を上流端とする単一の塗料導入流路２１の下流端から分岐して互いに同一の流路長で延びる一対の一次分岐流路２２と、各一次分岐流路２２の下流端から分岐して互いに同一の流路長で延びる一対の二次分岐流路２３と、各二次分岐流路２３の下流端から分岐して互いに同一の流路長で延びる一対の三次分岐流路２４と、各三次分岐流路２４の下流端から分岐して互いに同一の流路長で延びる一対の四次分岐流路２５とを有する。

四次分岐流路２５は、複数のスプレーノズル１１に対応して複数（１６個）設けられ、各スプレーノズル１１の上流端に接続される。各スプレーノズル１１の下流端には、前記塗料噴射口が設けられる。一次〜四次分岐流路２２〜２５は、それぞれ相互に同等な流路断面積を均等に有する。塗料供給口１６及び塗料導入流路２１は、スプレーノズル１１よりも少数であれば複数存在することも有り得る。この場合、塗料供給多岐流路１８が複数設けられてもよい。

図２は、本実施形態の比較例としての多ノズル式スプレーヘッド１１０を示す。この比較例が有する塗料供給多岐流路１１８は、ヘッド本体１５内を塗装面と平行に延びるメインギャラリー１２２の中央部に塗料導入流路２１の下流端を接続すると共に、メインギャラリー１２２における各スプレーノズル１１に対応する部位から四次分岐流路２５に相当する複数の分岐流路１２５を分岐させた構成を有する。この場合、塗料の粘度や流量の僅かな変化でも各スプレーノズル１１への塗料供給バランスが崩れ易くなる。

すなわち、上記比較例の構成では、何れのスプレーノズル１１に向かう経路でも同数かつ単一の分岐で済むが、各スプレーノズル１１に向かう経路が等長ではない。このため、各スプレーノズル１１の口径や流路長さ、塗料供給多岐流路の分液方法等の構造面に加え、塗料の粘度や流量、さらには各スプレーノズル１１やメインギャラリー１２２の傾き等、様々な要因が絡み合った状態で塗料供給バランスを保っており、僅かな変化でも大きくバランスが崩れてしまう。

上述の如く長尺のメインギャラリー１２２から一度に複数のスプレーノズル１１に分液する構成に対し、図１に示す本実施形態の構成では、単一の塗料導入流路２１から複数のスプレーノズル１１に向けて、何れのスプレーノズル１１に向かう経路でも相互に同数の二分岐を繰り返し、かつ同段階で二分岐する分岐流路の長さが全て等しく、さらに何れのスプレーノズル１１に向かう経路も等長となるように設けられることで、他要因を絡めずとも塗料供給バランスを保ち易くなっている。

図１中符号Ｐ_４は塗料導入流路２１の下流端（一次分岐流路２２の上流端（分岐位置））における圧力を、符号Ｐ_３は各一次分岐流路２２の下流端（二次分岐流路２３の上流端（分岐位置））における圧力を、符号Ｐ_２は各二次分岐流路２３の下流端（三次分岐流路２４の上流端（分岐位置））における圧力を、符号Ｐ_１は各三次分岐流路２４の下流端（四次分岐流路２５の上流端（分岐位置））における圧力を、符号Ｐ_０は各四次分岐流路２５の下流端（スプレーノズル１１の上流端）における圧力をそれぞれ示す。

塗料供給多岐流路１８では、塗料が一次〜四次分岐流路２２〜２５の何れかに二分岐した際の圧力損失（圧力勾配）の値が、その次の段階で塗料が二分岐した際の圧力損失の値の１／２以下となるように、下記数式１に示す関係を満たしている。

塗料供給多岐流路１８を流れる塗料は、塗料導入流路２１から一対の一次分岐流路２２に流入する際に１／２の流量に振り分けられる。以下同様に、一次分岐流路２２から一対の二次分岐流路２３に流入する際に塗料が１／２の流量に振り分けられ、二次分岐流路２３から一対の三次分岐流路に流入する際に塗料が１／２の流量に振り分けられ、三次分岐流路から一対の四次分岐流路２５に流入する際に塗料が１／２の流量に振り分けられる。

塗料供給多岐流路１８では、一次〜四次分岐流路２２〜２５で塗料が段階的に分岐する際に、塗料の圧力も段階的に減少する。一方、複数のスプレーノズル１１から少ない誤差で均等に塗料を噴射するためには、塗料噴射口での圧力を所定以上にする必要がある。一次〜四次分岐流路２２〜２５での圧力損失（圧力勾配）や流量等の関係は、下記数式２に示されるハーゲンボアズイユの式から求められる。なお、数式２では、半径ｒ、長さＬの円管を通じて粘性（粘度η）の流体が一定時間で流れる流量Ｑが、半径ｒの四乗に比例し、円管両端の圧力勾配ΔＰに比例し、円管の長さＬに反比例し、粘度ηに反比例することがわかる。

前記数式１から、塗料が一次〜四次分岐流路２２〜２５の何れかに二分岐した際の圧力損失の合計は、前記二分岐前の圧力損失以上となるように設定される。これにより、塗料噴射口での圧力を所定以上にすることが可能となる。

実験より吐出量の誤差を確認すると、１６個のスプレーノズルを用いて塗料を吐出する際の誤差を小さくするためには、出口での圧力損失を０．００３〜０．００７ＭＰａ程度にする必要があることがわかった。
そこで、特定の粘度の塗料を特定の流量で吐出させる場合において、上記数式２に示す如く圧力損失を考慮してノズル径とノズル長さを決定する。

例えば、粘度２５ｍＰａ・ｓの流体を７００ｃｃ／ｍｉｎの流量で１６個のスプレーノズル１１から均一に吐出させるには、上記数式２より図５のグラフが作成される。
図５より、誤差１５％以下にする場合に、圧力損失が０．００５ＭＰａ以上必要とすると、ノズル径φ０．７ｍｍの場合にはノズル長さ１．６ｍｍ、ノズル径φ０．９ｍｍの場合にはノズル長さ４．４ｍｍ、ノズル径φ１．１ｍｍの場合にはノズル長さ９．８ｍｍとなる。

同様に、粘度１２ｍＰａ・ｓの流体を７００ｃｃ／ｍｉｎの流量で１６個のスプレーノズル１１から均一に吐出させるには、上記数式２より図６のグラフが作成される。
図６より、誤差１５％以下にする場合に、圧力損失が０．００５ＭＰａ以上必要とすると、ノズル径φ０．７ｍｍの場合にはノズル長さ３．３ｍｍ、ノズル径φ０．９ｍｍの場合にはノズル長さ９．２ｍｍ、ノズル径φ１．１ｍｍの場合にはノズル長さ２０．５ｍｍとなる。

図３，４に示すように、多ノズル式スプレーヘッド１０のヘッド本体１５は、塗料供給多岐流路１８を形成する本体部３１と、複数のスプレーノズル１１を形成する蓋部３２とに分割される。本体部３１及び蓋部３２は、例えばボルト締結等により着脱可能に結合される。本体部３１における平板状の蓋部３２が重なる結合面３１ａには、塗料供給多岐流路１８における一次〜四次分岐流路２２〜２５が溝状に形成される。これら溝状の一次〜四次分岐流路２２〜２５が、蓋部３２の結合により閉断面を形成して塗料を流通可能とする。塗料導入流路２１は本体部３１の略中央に穿設される。

各スプレーノズル１１は、前記塗料噴射通路及び霧化エア噴射通路を並列に有することで所定の外径を要する。一方、スプレーノズル１１の数を確保しつつヘッド本体１５の小型化を図るために、本実施形態の多ノズル式スプレーヘッド１０では、所定ピッチで直線状に並ぶ複数のスプレーノズル１１の列３２ａを並列に一対配置すると共に、各列３２ａ同士をスプレーノズル１１の並び方向で半ピッチ程ずらして配置することで、各列３２ａ間の間隔を狭めている。

なお、前記比較例のように、一段階で三以上に分岐する分岐流路１２５では、これらを等長にすることが難しく、仮に等長にしたとしても、図に示すように無駄の少ないノズル配置とすることが難しく、多ノズル式スプレーヘッド１０の設計を著しく制約してしまう。

以上説明したように、上記実施形態における多ノズル式スプレーヘッド１０によれば、単一の塗料導入流路２１から複数のスプレーノズル１１に向けて、何れのスプレーノズル１１に向かう経路でも相互に同数の二分岐を繰り返し、かつ同段階で二分岐する分岐流路の長さが全て等しく、さらに何れのスプレーノズル１１に向かう経路も等長となるように設けられる塗料供給多岐流路１８を備えると共に、塗料供給多岐流路１８の各分岐流路２２〜２５両端の圧力Ｐ_０〜Ｐ_４が前記数式１で示される関係を満たし、かつ各分岐流路２２〜２５を一定時間で流れる流量Ｑが前記数式２で示される関係を満たすことで、構造の複雑化を抑えた上で複数のスプレーノズル１１の噴射流量の均等化を図ることでき、多ノズル式スプレーヘッド１０を含む塗装機の大型化及びコストアップを抑制できる。

１０ 多ノズル式スプレーヘッド
１１ スプレーノズル
１８ 塗料供給多岐流路（多岐流路）
２１ 塗料導入流路（塗料導入部）
２２ 一次分岐流路（分岐流路）
２３ 二次分岐流路（分岐流路）
２４ 三次分岐流路（分岐流路）
２５ 四次分岐流路（分岐流路）

Claims (3)

1. 複数のスプレーノズルと、
   前記複数のスプレーノズルよりも少数の塗料導入部と、
   前記塗料導入部から前記複数のスプレーノズルに向けて、何れのスプレーノズルに向かう経路でも相互に同数の二分岐を行い、かつ同段階で二分岐する分岐流路の長さが全て等しく、さらに何れのスプレーノズルに向かう経路も等長となるように設けられる多岐流路と、を備えることを特徴とする多ノズル式スプレーヘッド。
2. 前記多岐流路の各分岐流路の両端の圧力を、前記塗料導入部側から順にＰ_ｎ、Ｐ_ｎ−１、Ｐ_ｎ−２…としたときに、前記各圧力が下記式で示される関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の多ノズル式スプレーヘッド。
   （Ｐ_ｎ−Ｐ_ｎ−１）≦１／２（Ｐ_ｎ−１−Ｐ_ｎ−２）
3. 半径ｒ、長さＬの前記各分岐流路を通じて粘度ηの流体が一定時間で流れる流量Ｑが、前記各分岐流路の両端の圧力勾配をΔＰとして下記式で示される関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の多ノズル式スプレーヘッド。
   Ｑ＝｛（πｒ^４／８）｝・｛ΔＰ／ηＬ｝

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