JP2016155089A - 回転霧化型静電塗装機及びベルカップ - Google Patents

Abstract

【課題】シェーピングエアの使用量を低減することのできる回転霧化型静電塗装機及びベルカップを提供する。【解決手段】ベルカップ100は、その内面102に複数のディンプルを有する。ベルカップ内面102がディンプルを備えることで内面102が生成する第１の気流20の速度を高めることができる。外周面104が生成する第２の気流30と第１の気流20との合成気流110の速度は、増速した第１の気流20によって高められ、シェーピングエアの飛行アシスト機能に対する依存度合いを低減する。【選択図】図３

Description

本発明は回転霧化型静電塗装機及びそのベルカップに関する。

静電塗装機は、一般塗装に加えて自動車ボディの塗装にも適用されている。自動車ボディの塗装は、自動車の意匠性及び商品性に直結するため高い品質が求められる。この要請に応じるために塗料粒子の直径を小さくする努力つまり塗料粒子を微粒化する努力が日々行われている。

自動車業界で最も多く採用されているのが、「ベルカップ」と呼ばれるカップ状の回転霧化頭を備えた回転霧化型静電塗装機である（例えば特許文献１）。以下、回転霧化頭を「ベルカップ」と呼ぶ。回転霧化型静電塗装機において微粒化に関する基本的な考え方が既に確立している。その考え方は次の式１に基づいている。

式１

Ｐ³＝Ａ×(Ｑμ/ρＮ²ｒ²)

ここに、
Ｐ：塗料粒子の直径(mm)
Ａ：係数
Ｑ：塗料の供給量つまりベルカップに供給する塗料の量(cc/min)
μ：塗料の粘度(Cp)
ρ：塗料の比重
Ｎ：ベルカップの回転数(rpm)
ｒ：ベルカップの半径

次に、塗料粒子の体積Ｖは次の式２によって表すことができる。

式２

Ｖ＝(4/3)×π×(Ｐ/2)³＝(1/6)πＰ³

式２に式１を代入すると次の式３になる。

式３

Ｖ＝(π/6)×Ａ×Ｑ×μ×(1/ρＮ²ｒ²)

式３において、｛(π/6)×Ａ｝は常数である。｛(π/6)×Ａ｝を「Ｂ」に置換すると、式３は次の式４で表すことができる。

式４

Ｖ＝(Ｂ×Ｑ×μ)/(ρＮ²ｒ²)

式４によれば次のことが分かる。すなわち、塗料粒子の体積Ｖはベルカップの回転数Ｎの二乗に反比例する。塗料粒子の体積Ｖは、また、ベルカップの半径ｒの二乗に反比例する。換言すれば、式４は、塗料粒子の体積Ｖを小さくすることに関して、ベルカップの回転数Ｎを高くするのが有効であることを教えている。また、式４は、塗料粒子の体積Ｖを小さくすることに関して、ベルカップの半径ｒを大きくするのが有効であることを教えている。

式１及び式４の教示に従って、従来から、微粒化度を高めるための手法つまり塗料粒子を小さくする手法として、ベルカップの回転数を高くする及び／又はベルカップの半径を大きくする手法が採用されている。

特開２０１２−１１５７３６号公報

回転するベルカップから飛び出す塗料粒子には遠心力が作用する。ベルカップの回転数が高くなると、塗料粒子に作用する遠心力が大きくなる。また、相対的に小さな半径のベルカップとの対比で、同じ回転数の場合において、半径の大きいベルカップの方がその周速度が大きい。したがって大きなベルカップを採用すると、ベルカップから飛び出す塗料粒子に大きな遠心力が作用する。

上述したように、塗料粒子を小さくするには、ベルカップの回転数を高く設定するのが効果的である。また、塗料粒子を小さくするには、大きなベルカップを採用するのが効果的である。しかし、このことに伴って塗料粒子に作用する遠心力が大きくなるのは上述した通りである。

特許文献１はシェーピングエアを開示している。このシェーピングエアは２つの機能を有している。一つは、ベルカップから外方に飛び出す塗料粒子をワークの方向に差し向ける「偏向機能」である。他の一つは、塗料粒子がワークの方向に向けて飛行するのをアシストする「飛行アシスト機能」である。

自動車ボディの塗装に適用される回転霧化型静電塗装機はシェーピングエアを採用している。そして、塗装品質の要求が高度化するほど、つまり塗料粒子の微粒化を追求するほど、塗料粒子に作用する遠心力が大きくなる。これに対応し且つ所望の塗装パターンを形成するために、強いシェーピングエアが必要となる。このことは、シェーピングエアの使用量が増大することを意味している。

本発明の目的は、シェーピングエアの使用量を低減することのできる回転霧化型静電塗装機及びベルカップを提供することにある。

本発明の更なる目的は、シェーピングエアの上記飛行アシスト機能に対する依存を低減できる回転霧化型静電塗装機及びベルカップを提供することにある。

本発明の更なる目的は、シェーピングエアの上記偏向機能に対する依存を低減できる回転霧化型静電塗装機及びベルカップを提供することにある。

本件発明者らは、ベルカップが回転することに伴って発生する気流に着目し、この気流を分析することで本発明を案出するに至ったものである。図１は従来のベルカップの部分断面図である。図１の参照符号１はベルカップである。ベルカップ１は軸線Ａxを中心にして一方向に回転する。ベルカップ１は内面２と外周面４とを備えている。

ベルカップ１に供給された塗料は内面２に沿って広がる。そして、塗料は、内面２と外周面４とが合流する外周縁６から径方向外方に飛散する。図１の参照符号１０で示す矢印は、ベルカップ１の回転に伴って発生する気流を示す。また、参照符号θ_０は、気流１０の方向を表す角度を示す。この角度θ_０は、ベルカップ１の外周縁６が作る平面１２に対する気流１０の角度を意味する。

ベルカップ１が回転することにより塗料粒子には遠心力が作用する。この遠心力によって、塗料粒子はベルカップ外周縁６から径方向外方に飛散する。そして、塗料粒子は気流１０に乗って径方向外方に飛行する。本件発明者らはベルカップ１が生成する気流１０の方向つまり角度θ_０に着目した。この角度θ_０が大きいと、角度θ_０が小さいときに比べて、気流１０は被塗物（以下、「ワーク」という。）にアクセスする方向の流れであると言うことができる。

次に、本件発明者らは、ベルカップ内面２が生成する第１の気流２０及びベルカップ外周面４が生成する第２の気流３０に着目した。ベルカップ１の回転に伴って内面２には、図２に示す第１の気流２０が生成される。

第１の気流２０は、ベルカップ外周縁６から径方向外方且つワーク側に向かい、そして、ベルカップ回転軸線Ａxに接近する方向に向かい、そして、ベルカップ内面２を臨む第１空間２２を通ってベルカップ内面２に戻る。

第２の気流３０は、ベルカップ外周縁６から径方向外方に向かい、そして、ワークから遠ざかる方向に向かい、そして、ベルカップ外周面４を臨む第２空間３２を通ってベルカップ外周面４に戻る。

図１に矢印で示す気流１０は、上述した第１の気流２０と第２の気流３０とが合流した気流であるということができる。以下、図１に示す気流１０を「合成気流」と呼ぶ。本件発明者らは、ベルカップ内面２と外周面４が生成する第１、第２の気流２０、３０に着目した。合成気流１０（図１）が第１、第２の気流２０、３０によって生成されるのは上述した通りである。そして、合成気流１０の方向も第１、第２の気流２０、３０によって規定される。

一つの例として、ベルカップ内面２が生成する第１の気流２０の流速を高めれば、合成気流１０の流速を高めることができる。したがって、増速した合成気流１０によって、塗料粒子の飛行速度を高めることができる。

同じことが第２の気流３０についても言える。ベルカップ外周面４が生成する第２の気流３０の流速を高めれば、合成気流１０の流速を高めることができる。したがって、増速した合成気流１０によって、塗料粒子の飛行速度を高めることができる。

勿論、第１、第２の気流２０、３０の流速を共に高めれば、合成気流１０の流速を一層高めることができる。したがって、増速した合成気流１０によって、塗料粒子の飛行速度を高めることができる。

また、増速した第１の気流２０によって、ベルカップ内面２を臨む第１空間２２の空気を第１の気流２０が巻き込む量が増大する。この現象は、合成気流１０の方向をワーク側に接近させることを意味する。図１を参照して換言すれば、合成気流１０の方向を規定する角度θ_０を大きくするのに、第１の気流２０の流速を高めるのが効果的である。

前記技術的課題は、本発明の一つの観点によれば、
回転霧化頭を備えた回転霧化型静電塗装機であって、
前記回転霧化頭が、
該回転霧化頭が回転することにより塗料が広がる内面と、
外周面と、
該外周面と前記内面とが合流する外周縁とを有し、
前記内面と前記外周面との少なくとも一方の面に複数のディンプルを更に有することを特徴とする回転霧化型静電塗装機を提供することにより達成される。

前記技術的課題は、本発明の他の観点によれば、
回転霧化型静電塗装機に適用される回転霧化頭が、
該回転霧化頭が回転することにより塗料が広がる内面と、
外周面と、
該外周面と前記内面とが合流する外周縁とを有し、
前記内面と前記外周面との少なくとも一方の面に複数のディンプルを更に有することを特徴とする回転霧化頭を提供することにより達成される。

図３は本発明に従う回転霧化頭つまりベルカップ１００の典型例の作用説明図である。図３は、本発明に従う回転霧化頭の一例としてのベルカップ１００を示す。図３に示すベルカップ１００は、その内面１０２にディンプル（後に、参照符号１５０を付して説明する）が形成されている。ベルカップ内面１０２がディンプルを備えることで第１の気流２０の速度を高めることができる。図３において、ディンプルを備えたベルカップ内面１０２が生成する第１の気流２０の速度が、ディンプル無しの従来のベルカップ１（図１、図２）に比べて速くなる状態を太い実線で図示してある。

図３に図示の参照符号１０４はベルカップ１００の外周面を示し、１０６はベルカップ外周縁を示す。なお、図３に図示のベルカップ１００の外周面１０４にはディンプルが形成されていない。勿論、ベルカップ外周面１０４にディンプルを形成してもよい。

第１の気流２０と第２の気流３０によって、従来と同様に、合成気流１１０が生成される。第１の気流２０がディンプルによって増速される。増速した第１の気流２０によって合成気流１１０の速度も高められる。したがって、この合成気流１１０に乗って飛行する塗料粒子の速度を高めることができる。このことは、前述したシェーピングエアの「飛行アシスト機能」に対する依存度合いを低減できることを意味する。つまりシェーピングエアの使用量を低減できることを意味する。

図３において、合成気流１１０の方向を角度θ_１で示す。この角度θ_１は、ディンプル無しの従来のベルカップ１の合成気流１０（図１）の角度θ_０に比べて大きい。すなわち、ディンプルによって増速された第１の気流２０によって合成気流１１０の方向をワーク側に引き寄せることができる。

前述したように、シェーピングエアは、ベルカップから外方に飛び出す塗料粒子をワークの方向に差し向ける「偏向機能」を有する。この偏向機能によって塗装パターンの大きさが規定される。図３の例によれば、ディンプルによる第１の気流２０の増速効果によって、上述したように、合成気流１１０の方向をワーク側に引き寄せることができる。この引き寄せ効果によって、シェーピングエアによる偏向機能に対する依存を低減することができる。換言すれば、径方向外方に飛行する塗料粒子の方向をワークに向けて偏向するのに必要とされるシェーピングエアの依存度合いを低減することができる。このことは、シェーピングエアの使用量を低減できることを意味する。

上記の説明から理解できるように、本発明は、シェーピングエアへの依存度を低減する一つの手法を提案するものである。最も典型的な例で説明すれば、シェーピングエアで所望の塗装パターンを形成するというのが従来の基本的な考え方であった。本発明は、所望の塗装パターンを形成する手法はシェーピングエアに限られないことを提案している。すなわち、所望の塗装パターンを形成するのに、シェーピングエアに加えて、回転するベルカップが生成する気流の速度を高める手法が存在することを本発明は提案するものである。

ベルカップが生成する気流の速度を高める具体的な手法として、本発明は３つの手法を提案する。第１の手法が、ベルカップの内面に複数のディンプルを配置することである。第２の手法が、ベルカップの外周面に複数のディンプルを配置することである。第３の手法が、ベルカップの内面及び外周面に複数のディンプルを配置することである。

従来のベルカップの部分断面図であり、回転するベルカップが生成する気流を説明するための図である。 ベルカップ内面が生成する第１の気流及びベルカップ外周面が生成する第２の気流を説明するための図である。 一例としてベルカップ内面にディンプルを備えた本発明に従うベルカップの作用説明図である。 第１実施例のベルカップの概略側面図である。 第１実施例のベルカップの正面図であり、ベルカップ内面を示す。 第１実施例のベルカップの内面に配置したディンプルを説明するための断面図である。 第２実施例のベルカップの概略側面図である。 第２実施例のベルカップの側面図である。 第２実施例のベルカップが生成する気流の速度が増速していることを説明するための図である。

以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。

第１実施例（図４〜図６）：
図４は、自動車ボディの塗装に適用可能な回転霧化型静電塗装機に組み付けられる第１実施例のベルカップ２００を示す。図４に図示の第１実施例のベルカップ２００に含まれる要素において、図３を参照して説明した本発明に従うベルカップ１００に含まれる要素と同じ要素には同じ参照符号を付すことにより、その詳しい説明を省略する。

ベルカップ２００の内面１０２つまり図４に参照符号Ａr(in)で指し示す領域に、図５に図示のように、複数の第１ディンプル１５０が形成されている。なお、第１実施例のベルカップ２００の外周面１０４はディンプル無しである。図４から最もよく分かるように、ベルカップ内面１０２には、その中心部分に液体塗料が供給される。ベルカップ内面１０２において、塗料が遠心力によって広がる領域が内周部分１０２aと外周部分１０２bの２つの面で構成されている。内周部分１０２aは、外周部分１０２bに比べて傾斜角度が小さい。

図示のベルカップ２００の直径は77mmである。ベルカップ内面１０２の内周部分１０２a、外周部分１０２bは、相対的に傾斜角度が異なる面で構成され、外周部分１０２bの傾斜角度が内周部分１０２aに比べて大きい。

第１ディンプル１５０は内周部分１０２a及び外周部分１０２bに配置されている。これら内周部分１０２a及び外周部分１０２bに配置された第１ディンプル１５０は共通であるが、内周部分１０２aと外周部分１０２bとで異なる大きさの第１ディンプル１５０を配置してもよい。また、内周部分１０２a及び／又は外周部分１０２bにおいて、部分的に異なる大きさの第１ディンプル１５０を配置してもよい。

内周部分１０２aには１２０個の第１ディンプル１５０が配置されている。外周部分１０２bには９０個の第１ディンプル１５０が配置されている。内周部分１０２a及び外周部分１０２bにおける第１ディンプル１５０の配置について説明すると、ベルカップ２００と同軸の直径の異なる複数の円周上に第１ディンプル１５０が等間隔に配置されている。また、隣接する円周上に配置された第１ディンプル１５０は千鳥状に配置されている。

内周部分１０２a及び外周部分１０２bにおいて、最内周に位置する第１円周上に配置された複数の第１ディンプル１５０に対して、次の第２円周上の第１ディンプル１５０は互い違いに配置されている。換言すれば、最内周の第１円周上の複数の第１ディンプル１５０のうち互いに隣接する２つの第１ディンプル１５０、１５０の中間に、次の第２円周上の第１ディンプル１５０が配置されている。この関係は、次の第３以降の円周上の第１ディンプル１５０も同じである。

図６を参照して、各第１ディンプル１５０は、ゴルフボールと同様に球面状の凹所１５０aで構成されている。実施例で採用した第１ディンプル１５０は、その円形の開口１５０bの直径Ｄiaは3.53mmであり、凹所１５０aの最深部の深さＤepは0.34mmである。

第１実施例のベルカップ２００の変形例として、ベルカップ外周面１０４に上記第１ディンプル１５０と同様のディンプルを配置し、上記内面１０２の第１ディンプル１５０を省いてもよい。

第２実施例（図７、図８）：
図７は第２実施例のベルカップ３００を示す。なお、第２実施例のベルカップ３００は、上記第１実施例のベルカップ２００の変形例でもある。すなわち、第２実施例のベルカップ３００は、その内面１０２に図５に図示の第１ディンプル１５０を有する。

ベルカップ３００は、切頭円錐状の傾斜面で構成された外周面１０４の全域に配置されたディンプル１６０を有する。外周面１０４に配置されたディンプル１６０を「第２ディンプル」と呼ぶと、第２ディンプル１６０は、上述した第１ディンプル１５０と同じである。

第２ディンプル１６０は、図７に参照符号Ａr(out)で示すように、切頭円錐状の傾斜面で構成された外周面１０４の全域に配置されているが、外周面１０４を、その小径側と、大径側つまり外周縁１０６側との２つの領域に区画し、そのいずれか一方の区画に第２ディンプル１６０を配置するようにしてもよい。

第２ディンプル１６０は、図８から分かるように、円周方向に横一列に等間隔に配置されている。そして、この列が小径側端と大径側端つまり外周縁１０６との間に複数配置されている。第２ディンプル１６０は、第１ディンプル１５０（図５）と同様に、千鳥状に配置されている。

ベルカップ外周面１０４に第２ディンプル１６０を配置することにより第２の気流３０（図３）を増速することができる。この第２の気流３０の速度が高くなることで、合成気流１１０の速度が高くなる。また、第２実施例のベルカップ３００は、その内面１０２にも第１ディンプル１５０が形成されている。ベルカップ内面１０２が生成する第１の気流２０の速度が高くなることで、合成気流１１０の速度が高くなる。

したがって、合成気流１１０の速度は、増速した第１の気流２０及び増速した第２の気流３０によって一層増速される。これによりシェーピングエアの前述した「飛行アシスト機能」に対する依存度合いを一層低減することができる。これによりシェーピングエアの使用量を一層低減することができる。

合成気流１１０の方向は、第１の気流２０と第２の気流３０とによって規定される。合成気流１１０の方向をワーク側に引き寄せるのであれば、第１の気流２０の増速効果を第２の気流３０の増速効果よりも大きくなるように第１、第２ディンプル１５０、１６０の数や配置を設定すればよい。

図９は、第１、第２のディンプル１５０、１６０を備えた第２実施例のベルカップ３００を装着した静電塗装機の作用効果を説明するための図である。比較例として、ディンプル無しのベルカップを装着した静電塗装機を用意した。ディンプル無しのベルカップの外形輪郭は、第２実施例のベルカップ３００の外形輪郭と同じである。

図９の実線は、第２実施例のベルカップ３００を装着した静電塗装機に関するものである。図９の破線は、ディンプル無しのベルカップを装着した比較例の静電塗装機に関するものである。

回転霧化型静電塗装機のベルカップによって生成される塗料粒子は、回転するベルカップが生成する気流に乗って飛行する。ベルカップから離れた塗料粒子は、ベルカップの径方向外方に進んだ後、放物線を描いてワークに接近する方向に向かう。塗料粒子の移動軌跡をベルカップの回転軸線Ａxからの距離に置き換えて、塗料粒子の速度変化を示したのが図９である。換言すれば、図９は、ベルカップが生成する気流の速度変化を示す。図９の横軸は、ベルカップの回転軸線Ａxからの距離を示し、縦軸は気流の速度を示す。

例えば、ベルカップの回転軸線Ａxから42mm離れた地点では、実施例では約21m/secであるのに対して比較例では11m/secである。つまり、実施例は比較例に対して約1.9倍の速度を実現していることが分かる。第１、第２のディンプル１５０、１６０による増速効果は、ベルカップの回転軸線Ａxから可成り離れた60mmの地点でも維持されている。

１０２ ベルカップの内面
１０４ ベルカップの外周面
１０６ 外周縁
１５０ 第１ディンプル
１６０ 第２ディンプル
２００ 第１実施例のベルカップ
３００ 第２実施例のベルカップ

Claims (5)

1. 回転霧化頭を備えた回転霧化型静電塗装機であって、
   前記回転霧化頭が、
   該回転霧化頭が回転することにより塗料が広がる内面と、
   外周面と、
   該外周面と前記内面とが合流する外周縁とを有し、
   前記内面と前記外周面との少なくとも一方の面に複数のディンプルを更に有することを特徴とする回転霧化型静電塗装機。
2. 回転霧化型静電塗装機に適用される回転霧化頭が、
   該回転霧化頭が回転することにより塗料が広がる内面と、
   外周面と、
   該外周面と前記内面とが合流する外周縁とを有し、
   前記内面と前記外周面との少なくとも一方の面に複数のディンプルを更に有することを特徴とする回転霧化頭。
3. 前記複数のディンプルが前記内面に形成されている、請求項２に記載の回転霧化頭。
4. 前記複数のディンプルが前記外周面に形成されている、請求項２に記載の回転霧化頭。
5. 前記複数のディンプルが前記内面及び前記外周面に形成されている、請求項２に記載の回転霧化頭。

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