JP2807927B2 - 非圧縮性及び圧縮性流体を配分及び混合する方法及び装置 - Google Patents

非圧縮性及び圧縮性流体を配分及び混合する方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は非圧縮性及び圧縮性流体を配分及び混合する
方法及び装置に関する。本発明の好ましい実施例におい
ては圧縮性の流体は超臨界流体であり、非圧縮性の流体
は塗料組成物であり、得られる混合流体は吹付技術によ
り基体に塗布される。
発明の背景 塗料組成物はバインダー、顔料、界面活性剤、流れ調
整剤、及び有機溶剤を含む複雑な混合物である。有機溶
剤は粘度の低下、膜形成性、及び接着性に関連した各種
の目的に資する。塗料やペイントを吹付けるに際して、
有機溶剤はその粘度を減少する。この粘度の低下は材料
を基体表面に吹付ける際に噴霧化を可能にし、また表面
への液滴の接着を容易にし、接着性の高い均一の膜を形
成するのに必要である。吹付噴霧には非常に低い粘度を
使用して高品質の塗装に必要な微細な液滴を作る必要が
ある。
揮発性有機化合物（VOC）が塗料組成中で重要な作用
を果たすにもかかわらず、経済性及び環境保全の理由か
ら発揮性有機化合物を減少させるために塗料業者並びに
使用者によりかなりの努力がなされてきた。
有機溶剤蒸気の放出を減じるための被覆技術の開発に
重点が置かれてきた。性能及び塗装の各種要件の多くを
満足させると同時に、放出及び規制の条件を満足させる
多くの技術が提案されてきた。これらには（ａ）粉末
型、（ｂ）水分散型、（ｃ）水溶液型、（ｄ）非水性分
散型、及び（ｅ）高固形分型塗料がある。これらの技術
はある程度の用途に使用され、特定の産業では適切な技
術となっている。大多数の場合に、これらの新技術によ
る塗料は、用途上又は性能上の重要な１つ以上の特性に
おいて従来のものよりも劣る。
米国特許第4,923,720号は、液体溶剤の実質的な量が
除去され、無毒性の環境に適合した超臨界流体（例えば
超臨界二酸化炭素）と置換された高固形分型塗料組成物
を製造する方法及び装置を開示している。この塗料組成
物は次いで基体に吹きつけられ、その時に超臨界二酸化
炭素は気化して噴霧化を助ける。用途に対する望ましい
特性を有する塗料溶液ないし組成を作るために、液体組
成物及び超臨界二酸化炭素の相対比率を所定の割合及び
所定の範囲内に維持する必要がある。しかし、米国特許
第4,923,720号の一つの条件は、液体塗料組成物と超臨
界流体の相対割合を調整することである。液体塗料組成
物と超臨界流体は各々別個のポンプを使用して系内に導
入される。しかしながら、超臨界二酸化炭素の体積は系
の圧力及び温度に依存して変動する。このため、塗料組
成物中の超臨界二酸化炭素の濃度が変動する結果、吹付
特性が変動することになる。
米国特許第5,215,257号は液体塗料及び流体稀釈剤
（例えば超臨界二酸化炭素）を含有する塗料組成物を形
成してこれを供給する改良された方法及び装置を記載し
ている。制御装置が設けられて超臨界二酸化炭素及び／
又は液体塗料の供給を塗料組成物中の電気容量の変動に
合わせた開閉により調整する。この装置は塗料組成物の
超臨界二酸化炭素の濃度を調整する所定の設定点を必要
とする。しかし、塗料組成物中の二酸化炭素の濃度と容
量感知器により得られる値の間の相関性は、系の圧力、
温度、及び塗料組成に大きく依存する。更に、多相溶液
中に液体とガス成分の両者を有する組成物に関しては、
二酸化炭素の濃度を調整することが困難であることが分
かった。容量感知回路からの信号は組成物中の泡によっ
て比較的広範囲に変動する。この方の装置の他の欠点
は、装置が二酸化炭素濃度に関して設定点を計算するた
めに、二酸化炭素を添加に先立つ組成物の供給塗料の容
量に関する情報を必要とすることである。
上記米国特許第4,923,720号は塗料組成物及び液体二
酸化炭素をポンプ送りし且つ配合することができる装置
を開示している。一つの実施例において、塗料組成物流
と超臨界二酸化炭素の体積割合の調整は、各ポンプサイ
クル中にポンプから一定容積を押し出す往復式ポンプに
より行われる。１つの往復ポンプは塗料組成物を送るの
に使用され、これは液体二酸化炭素を送るのに使用され
る他方のポンプに対して連動している。各ポンプのピス
トン棒は中心支点の周りで上下に枢動する軸の両端に取
りつけられている。体積比は一方のポンプを軸に沿って
滑らせて行程の長さを変えることにより調整される。
しかしながら、液体二酸化炭素は典型的には圧力容器
に貯蔵される周囲温度で比較的圧縮性であり、かかる圧
縮性は吹付け塗装しようとする混合塗料組成物中に存在
する二酸化炭素の量の好ましくない変動又は振動を招
く。これは、比較的非圧縮性の塗料組成物と、比較的圧
縮性の液体二酸化炭素の間の相容れない輸送特性による
ものである。塗料組成物にあっては、圧力は往復ポンプ
がその体積を押しのけると直ちに発生する。液体二酸化
炭素は圧縮性であるので、同一の圧力を発生させるには
より大きな体積を押しのけなければならない。混合は塗
料組成物と液体二酸化炭素の流れが同一圧力の場合に行
われるので、二酸化炭素の流れは塗料組成物の流れより
もはるかに遅れる。
この変動は、もしもポンプを作働している駆動力がそ
のサイクル中に変動すると（例えばそのサイクル中に方
向を変える空気モータ）更に大きくなる。もしも駆動力
が減少すると、塗料組成物の圧力はその非圧縮性のため
に、圧縮性である液体二酸化炭素の圧力よりも急速に減
少する。
従って、両流体中に生じる圧力はポンプ輸送中に位相
がずれる。米国特許第4,621,927号には、所定の濃度を
有する第３の流体を調製するように第１の流体と混合す
べき第２の流体の流量を制御する装置を開示している。
第２の流体の流量の設定点変数は第３の流体の流量に従
って計算されて、装置の制御性を改善している。しか
し、米国特許第4,621,927号の装置は、流体の熱力学的
特性が圧力、温度及び濃度により左右されるために圧縮
性流体と非圧縮性流体との混合物を取り扱うことができ
ない。
発明の概要 本発明によると、上記の欠点が克服される。本発明に
より、非圧縮性流体と圧縮性流体より構成される配合混
合物を正確且つ連続的に提供することができる方法及び
装置が見出された。
より具体的に述べると、本発明は追加の圧縮性流体の
追加の前後において圧縮性流体の体積流れを測定して、
圧縮性流体の量を決定し且つ制御することが可能とな
る。本発明は流体の比率を簡単に且つ正確に定めること
ができる。なぜなら、意外なことに非圧縮性流体及び圧
縮性流体の混合物の密度は、これらの流体の混合物の可
溶性限界を超えない限り多くの系で大きく変動しないこ
とが見出されたからである。
ここで、圧縮性流体とはその密度が圧力の変動により
少なくとも５％変動するような材料を意味する。ここ
で、すべての流体は特に断らない限り１気圧０℃にある
と理解される。
より具体的には、本発明の広い実施の形態は、実質的
に圧縮性の流体と実質的に非圧縮性の流体を所定の割合
に連続的に混合するための装置であり、この装置は ａ）実質的に圧縮性の流体を供給する手段、 ｂ）実質的に非圧縮性の流体を供給する手段、 ｃ）前記実質的に非圧縮性の流体の体積流量を測定する
手段、 ｄ）前記実質的に非圧縮性の流体の体積流量に基づく信
号を発生する手段、 ｅ）測定された前記実質的に非圧縮性の流体と前記実質
的に圧縮性の流体の混合物を、得られる混合物の密度が
実質的に非圧縮性の流体に類似の挙動を示すように形成
する手段、 ｆ）前記混合物の体積流量を測定する手段、 ｇ）前記実質的に圧縮性の流体の流量と前記実質的に非
圧縮性の流体の混合物の流量に基づく信号を発生する手
段、及び ｈ）前記（ｄ）及び（ｇ）において発生された信号に応
じて前記実質的に圧縮性の流体の流量を制御する手段 より構成される。
ここで使用される用語「塗料組成物」は超臨界流体を
混合しない典型的な従来型の塗料組成物を意味するもの
と理解される。また、ここで使用される「混和した液体
混合物」の用語は、塗料組成物と少なくとも一種の超臨
界流体との混合物を含むものとする。
本発明はまた、実質的に圧縮性の流体と実質的に非圧
縮性の流体の所定割合の混合物を形成する方法を提供す
るもので、この方法は ａ）非圧縮性流体を供給し、 ｂ）前記非圧縮性の流体の体積流量を測定し、 ｃ）圧縮性流体を供給し、 ｄ）非圧縮性流体と圧縮性流体を、得られる混合物の密
度が実質的に非圧縮性の流体として挙動するように混合
し、 ｅ）前記混合物の体積流量を測定し、そして ｆ）前記混合物の体積流量に基づいて前記圧縮性流体の
流量を制御することより構成される。
ここで使用される「実質的に非圧縮性の流体」は、混
合物の密度が、混合物中の成分の濃度変化により約10％
未満、好ましくは約５％未満、更に好ましくは２％未満
の影響しか受けないような混合物を含む。
非圧縮性流体、及び圧縮性流体・圧縮性流体混合物の
体積流量を測定し、次いで圧縮性流体の流量を調整する
ことにより、圧縮性流体の取り扱いに関連した困難がほ
ぼ解消する。本発明の好ましい実施例においては、得ら
れる流体混合物の密度が、該流体混合物が実質的に非圧
縮性流体として挙動することを補償する目的で測定され
る。
図面の簡単な説明 図１は超臨界二酸化炭素、重合体及び溶剤よりなる系
の相図である。
図２はエタノール・水系及びイソプロピルアルコール
・水系の組成と密度の関係を示すグラフである。
図３はジメチルスルホキシド・アセトン系の組成と密
度の関係を示すグラフである。
図４はアクリル重合体・メチルアリールケトン溶液の
組成と密度の関係を示すグラフである。
図５は重合性樹脂組成物・二酸化炭素溶液の組成と密
度の関係を示すグラフである。
図６は圧縮性流体及び非圧縮性流体の配合及び吹付に
適した装置の概略図である。
図７は本願に記載した実験を実施するために使用した
装置の概略図である。
図８ないし図11は各種塗料混合物の吹付塗装に対する
流量と時間の関係を示すグラフである。
図12及び図13は二酸化炭素中の２種の塗料組成物の組
成と密度の関係を示すグラフである。
図14及び図15はエタン中における２種の塗料組成物の
組成と密度の関係を示すグラフである。
発明の詳細な説明 以下の説明は、基体に吹付けるのに適した、塗料組成
と超臨界流体例えば二酸化炭素との配合を定めた混和し
た液体混合物を製造することを中心にしているが、本発
明はこれに限定されるものではない。上記の検討から明
らかなように、本発明は意図した目的に使用する任意の
圧縮性及び非圧縮性流体の配合を行うものである。
本発明で使用する塗料組成物は広くはペイント、ラッ
カー、接着剤等を含む。このような塗料材料には更には
肥料、除草剤、及び殺虫剤等の農業用品も含まれる。
本発明で使用される塗料組成物は典型的には少なくと
も一種の重合体成分、顔料、溶融剤、架橋剤、紫外線安
定剤を含む。固形成分の他に溶剤分も使用でき、これら
には活性溶剤、カップリング溶剤、及び水が含まれる。
塗料組成物にしばしば見られる液状成分、例えば架橋
剤、可塑剤、界面活性剤等も使用できる。塗料組成物の
液体分と固形分は当業界に良く知られている。塗料組成
物に見いだされるより完全な記述は米国特許第5,171,61
3号に見られる。
超臨界流体の現象は多くの文献で知られている（例え
ばpages F−62−Ｆ−64 of the CRC Handbook of Chemi
stry and Physics,67th Edition,1986−1987,CRC Pres
s,Inc.,Boca Raton,Florida ppF62−F64参照）。
臨界点以上の高圧では、得られる超臨界流体、つまり
濃縮ガス（dense gas）は液体の密度に近づき、若干の
液体の特性を示す。これらの特性は液体組成、温度及び
圧力に依存する。ここで使用される「臨界点」とは物質
の液体状態とガス状態が互いに合体する転移点であり、
特定の物質に対する臨界温度及び臨界圧力の組み合わせ
を表す。「臨界温度」とはそれ以上では気体が圧力を増
しても液化できない温度を指す。「臨界圧力」とは臨界
温度で二相を出現させるに充分な圧力のことである。
超臨界流体の圧縮性は臨界温度以上では大きく、圧力
の変化が超臨界流体の密度の大きな変化を生じる。より
高い圧力における超臨界流体の「液体状」の挙動は、
「臨界下」物質よりも大きい溶解能力を、より高い拡散
係数で、且つ液体に比べて広い有用温度範囲で生じる。
高分子量の化合物は超臨界流体に比較的低い温度で溶解
できることが多い。超臨界流体に関連した興味ある現象
は、高分子量の溶質の「閾圧力」溶解である。圧力が増
すにつれて溶質の溶解度はわずかな圧力の増加で何桁も
増加することが多い。しかし、超臨界流体の溶解能力は
本発明の概念にとって必須ではない。
近超臨界液体は超臨界流体と同様な溶解性及び他の関
連した特性を示す。溶質はより低い温度では固体である
が、臨界温度以上では液体であり得る。更に、流体「変
性剤」低濃度でもしばしば超臨界流体の特性を有意に変
えることができ、或る種の溶質に対する溶解度を大幅に
増加する。これらの変動は本発明の超臨界流体の概念に
入るものと考えられる。従って、ここで使用する語「超
臨界流体」は物質の臨界温度及び圧力（つまり臨界点）
又はその上又はそのわずかに下にある物質を表す。
超臨界流体として有用なことが分かっている物質は米
国特許第4,723,920号に記載されている。
コスト、環境許容性、不燃性、及び低い臨界温度の面
から、超臨界二酸化炭素流体が塗料組成物として使用さ
れることが好ましい。ほぼ同一の理由で、窒素酸化物
（N2O）が塗料組成物と混和するのに望ましい超臨界流
体である。しかし、超臨界流体の任意のもの又はそれら
の混合物が塗料組成物の一緒に使用できるものと考えら
れる。
超臨界二酸化炭素の溶解力は実質的に低級脂肪酸炭化
水素のそれに近く、そのため超臨界二酸化炭素を従来の
塗料組成物の炭化水素溶剤の代替物と考えて良い。炭化
水素溶剤を超臨界二酸化炭素と置換して得られる環境上
の利点の他に、二酸化炭素が不燃性のために安全性の面
からの利益が得られる。
塗料組成物に対する超臨界流体の溶解力のため、単一
相液体混合物が形成され、これにより混合物はエアレス
吹付技術により吹付けることができる。
塗料組成物は一般に加圧した塗料組成物をオリフィス
を通して空気中に噴霧し、それを基体に衝突させて液体
被覆を形成することにより塗布することができる。塗料
産業界では、３種のオリフィス吹付、即ちエア吹付、エ
アレス吹付、及びエア補助吹付が使用されている。
エア吹付、エアレス吹付、及びエア補助吹付はまた液
体塗料組成物を加熱し、又は空気を加熱し、又は両者を
加熱して行っても良い。加熱は液体塗料組成物の粘度を
減じ、噴霧化を助ける。本発明はまた米国特許第5,106,
650号に記載されているような静電塗装を利用しても良
い。
混合物が特定の目的に対して調整されるほぼすべての
場合に、その目的に有効であるようにその混合物中の成
分は一般に正確な割合で配合されている必要がある。上
記特許の重要な目的は超臨界流体を使用することにより
塗料組成物中に存在する溶剤の量を減じることである。
こうした目的を念頭に置くと、塗料組成物と超臨界流体
との液体混合物の有効な吹付を行う能力を維持しなが
ら、できるだけ多くの超臨界流体を利用することが一般
に望ましい。従って、ここでも同様に吹付けるべき液体
塗料混合物中に存在する超臨界流体と塗料組成物との所
定割合の量が存在することが特に望ましい。
一般に、超臨界流体の添加の好ましい上限は、塗料組
成物と混和し得る量である。この実用上の上限は、一般
に塗料組成物及び超臨界流体を含有する混和物が単相か
ら二相に分離する時に識別できる。
この現象をより良く理解するために、超臨界流体が超
臨界二酸化炭素である図１の相図を参照する。図１にお
いて、三角図形の座標は説明の都合上水を含有していな
い混和した塗料組成物の純成分を表すものとする。座標
Ａは有機溶剤であり、座標Ｂが二酸化炭素であり、座標
Ｃは重合体材料を示す。曲線BFCは単相及び二相の間の
相境界を表す。点Ｄは超臨界二酸化炭素が添加されてい
ない塗料組成物の可能な組成を示す。点Ｅは超臨界二酸
化炭素と混和された後の混和塗料組成物の可能な組成を
表す。
従って、噴霧化の後に、大部分の二酸化炭素は気化
し、実質的に元の塗料組成物の組成を残す。基体に接触
すると残りの重合体と溶剤成分の混合物は流れて融合し
て一様な平滑な膜を基体の上に形成する。フィルム形成
の経路を図１に部分EED（気化及び膨張）及びDC（融合
及び膜形成）で例示する。
しかし、塗料組成物と混合できる超臨界二酸化炭素の
ような超臨界流体の量は、図１を参照すると視覚的に良
く分かるように、一般に超臨界流体と塗料組成物の混和
性の関数である。
この相図から分かるように、矢印10で示したように、
超臨界二酸化炭素の量が多く塗料組成物に添加されるほ
ど、混和した液体塗料混合物の組成が線BFCで表した二
相境界に近づく。もしも充分な超臨界二酸化炭素が添加
されたら、二相領域になり、組成物はそれに対応して二
相に分離する。場合により、超臨界流体（この場合には
超臨界二酸化炭素）を、二相境界を超える量で混合する
ことが望ましいことがある。しかし、一般には最適の吹
付性能及び／又は塗膜形成を得たい場合には二相境界を
余り超えることは望ましくない。
超臨界流体と塗料組成物との二相状態を回避すること
の他に、それらの適性配合が最適の吹付け条件、例えば
所望の混和物粘度、所望の粒子寸法の形成、所望の吹付
扇形の形成等を提供するのに望ましい。
従って、超臨界流体を稀釈剤として含有する液体塗料
組成物を連続的、半連続的、及び／又は間欠的、又は周
期的に要求に応じて吹付けるには、適正割合の塗料組成
物と超臨界流体の配合量を正確に混合する必要がある。
しかし、超臨界流体の圧縮性は液体のそれに比してはる
かに大きい。従って、圧力の小さな変動が超臨界流体の
密度の大きな変化となって現れる。
本発明の非圧縮性流体は典型的には液体状態である。
液体状態は液体を気体から区別する分子間の強い相互作
用により特徴付けられ、また液体を固体から区別する分
子運動の擾乱状態により特徴付けられる。液体の挙動は
一般に良く理解されており、その特性は個々の範囲であ
まり変わらない傾向がある。
しかし、既知の溶液は厳密に理想的なものは存在しな
い。高度に類似した成分を有する溶液はわずかしか違わ
ないであろうが、成分の寸法、質量及び化学的性質が異
なるほとんど全ての溶液においては偏りが観測される。
重合体は真の溶液を形成する程には溶液に混合しないこ
とが分かっている。その結果重合体は分子量に或る程度
の差があると混合した時にはっきりした相に分かれる。
液体混合物の挙動の差を特徴付ける簡単な方法の一つは
混合物の密度を測定することである。
図２はエタノールと水とイソプロピルアルコールの組
成に対する液体密度を200℃及び大気圧でプロットした
ものである。エタノール又はイソプロピルアルコールの
添加につれて、混合物の密度は稀釈しないアルコールの
密度に次第に近づく。図３はジメチルスルホキシドとア
セトンの周囲温度及び大気圧における同様なプロットを
示す。
液体溶剤中の或る種の重合体も同様に挙動する。図４
を参照すると、アクリル重合体（AT954,Rohm ＆ Haas C
o.）及びｎ−メチルアリールケトン（MAK）が大気圧、2
5℃で混合され、MAKの増加につれて混合物の密度が純粋
なMAKの密度に次第に近づく。
意外なことに、混合物成分の密度が一様に減少するよ
うな上記の混合物とは対照的に、重合体組成物、溶剤及
び圧縮性流体の混合物は密度がほぼ一定に留まる期間が
存在することが分かった。この比較的一定の密度は維持
され、二相混合物が形成されるとこの混合物の密度は急
激に変化する。
図５を参照すると、次の表１にリストされた成分の二
酸化炭素中の混合物密度がプロットされている。
表１ 成分 重量比 アルキド樹脂Reichhold 6255−03 21.6％ ニトロセルロース 6.0％ 可塑剤 2.4％ 尿素樹脂Bettle 80 10.0％ 溶剤 60.0％ （MAK、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、及
びエチルエトキシプロピオネート（EEP）の混合物） 二酸化炭素を表１の組成に添加すると（30重量％ま
で）、混合物の密度減少は1.2％よりも少なくなる。40
％よりも多量に二酸化炭素を添加すると混合物の密度は
相当に減少し、そしてはっきりした２つの相、すなわち
二酸化炭素富化相と重合体富化相が生成した。
理論に縛られるつもりはないが、重合体分子と溶剤分
子の配列が二酸化炭素の重合体−溶剤混合物への添加に
つれて変化し、その結果塗料組成が全質量と全体積の割
合（つまり密度）を一定に維持するものと思われる。こ
のような効果は二酸化炭素の介在で溶剤と重合体の相互
作用が増大した結果であろう。二酸化炭素により混合系
に貢献する大きな体積が溶剤と重合体の相互作用を高
め、それにより予想よりも小さい密度減少をもたらすの
であろう。
図６を参照すると、比較的一定の密度を利用した装置
が例示されている。この装置は、塗料組成物を輸送し、
加圧し、配合割合を決め、加熱し、二酸化炭素と混合
し、単に体積測定のみで混和した液体混合物を形成する
ことができる。塗料組成物及び超流体二酸化炭素は吹付
けに適した正確に所望の割合で供給される。
ここに記載する装置は上記の一定密度減少を利用して
液体混合物の割合を簡単且つ上手に決定することができ
る。上記のように、本発明は二酸化炭素を使用する場合
について説明するが、本発明はこの材料に限定されず他
の任意の圧縮性流体を使用する場合をも含む。
特に、二酸化炭素はタンク又はボンベ等の適当な供給
源９から液体形態で供給される。好ましくは、液体二酸
化炭素は連続的に供給される。二酸化炭素は次に二酸化
炭素供給ポンプ７に供給される。この時０〜8000psiの
圧力指示器９を通しても良い。二酸化炭素は次に制御弁
10から更に予備加熱器３に送られ約30〜80℃に加熱さ
れ、次いで混合器５に送られる。次に塗料組成物につい
ては、塗料はポンプ１により圧力計２（なくても良
い）、流量計４及び予備加熱器３に送られる。塗料組成
物は次に混合装置５に送られて混和された液体混合物を
形成する。
塗料組成物と二酸化炭素の流量が次に流量計11により
測定される。任意に熱電対６を設けても良い。任意に密
度計17を設けて混和された塗料組成物の密度を監視して
も良い。最も好ましい例では密度計が使用されて二酸化
炭素の流量が混和された組成物の密度の有意な変動を生
じないようにする。混和された塗料組成物混合物は次に
任意的な加熱器により最終の温度に調整することがで
き、次に管路13を通して吹付ガン14に送られる。塗料及
び二酸化炭素の混合物は所望によりまた加熱器12と循環
ポンプ16を通して再循環させ、一定の吹付温度を保持す
るようにしても良い。多チャンネル流量比計算機15は両
方の流量計から流量信号を受けて制御弁10を介して二酸
化炭素の流量を制御する。
図１において使用した装置の構成部品は表２に示す。
本発明で使用される体積流量計の型は重要でない。任
意の適当は流量計例えば歯車式流量計、タービン式流量
計、回転流量計等が使用できるが、特に歯車式が好まし
い。
本発明の範囲は請求の範囲により定められるが、次の
特定の例は本発明のある形態と、本発明の評価方法を示
す。しかし、これらの例は例示の目的であって、本発明
を制限するものと考えてはならない。すべての部及び率
は特に断らない限りは重量基準である。
例１ 圧縮性流体特に二酸化炭素の制御可能性を検討するた
めに適した装置を作成した。これを図７に示す。装置は
塗料組成物のための供給ポンプ101、二酸化炭素のため
にポンプ107と、２つの歯車流量計104、111と、制御弁1
10と、加熱器103と、マイクロプロセッサによる流量制
御器115と、２つの流体のための均一混合装置105とを有
する。
塗料組成物は容器から供給し、室温で空気駆動液体塗
料ポンプにより1500〜2200psi（67.5〜99.0kg/cm2）に
加圧した。塗料組成物は加熱器103により30〜40℃に予
熱した。塗料組成物の流量は精密歯車流量計104により
測定した。液体二酸化炭素はボンベより供給し空気駆動
式二酸化炭素液体ポンプ107により室温において1500−2
000psi（67.5〜90.0kg/cm2）に加圧した。次いで、二酸
化炭素を30〜40℃に予熱した。これら２つの流体をスパ
ージャー及び２個のKenicミキサーによりなる混合装置1
05により混合した。
塗料組成物と二酸化炭素の混合物の流量は精密歯車流
量計111により測定し、また加熱器112により45〜60℃に
加熱した後吹付塗装に供した。塗料組成物と二酸化炭素
の混合物は、吹付温度を一定に維持するため吹付ガン11
4を関して再循環した。
多チャンネル流量比計算機115は両方の歯車流量計か
らの信号を受け取って合計流量を表示し、これを二酸化
炭素制御弁110の位置を操作して塗料混合物中の所望の
二酸化炭素濃度に調整するのに用いた。データ分析の目
的で、二酸化炭素の流量を質量流量計109で監視し、そ
して歯車流量計からのデータａとｂとを計算データ取得
装置116に送った。
図７の構成部品を表３に示す。
図８は図７の吹付装置からの混和された塗料組成物の
連続吹付に対する時間（120秒まで）と塗料流量の関係
を示す。塗料組成物はアクリル重合体とメラミン重合体
と誘起溶剤の混合物であった。図８の点＃１は精密歯車
流量計104により測定した塗料流量を示す。点＃２は精
密歯車流量計111により測定した混和された塗料の流量
を示す。本発明の開示から、二酸化炭素の流量は歯車流
量計111と歯車流量計104と各読みの差となる。
例２ 図９は図７と同様な装置において表１に記載した塗料
組成物を使用する吹付装置からの二酸化炭素流量を示
す。これは次の２つの方法により決定した。１）図７に
記載した２つの流量計の間の流量の差の計算、及び２）
質量流量109により測定した実際の二酸化炭素流量。グ
ラフ上の差は応答時間の遅れと、質量流量計のデータ平
均の効果によるものと思われる。なぜなら、流量の計算
に0.2〜0.5秒の遅延が必要だからである。しかし、120
秒間の全流量は本発明に対して89.0cm2であり、質量流
量計からは89.5gであった。これは次のことを示す。
1.塗料組成物と二酸化炭素の混合物の密度は1.0g/ccに
近く、これは塗料組成物単独の密度に近い。
2.2つの体積流量計の組み合わせは二酸化炭素の濃度の
測定並びに厳密な調整に使用できる。
例３ 図10は、例１の塗料組成を使用した１）塗料組成物、
２）塗料組成物と二酸化炭素の混合物、及び３）二酸化
炭素の、90秒連続吹付に対する流量の３つのプロットを
示す。使用した装置は図７のものであった。ただし再循
環ループは使用しなかった。図10の線＃２は精密歯車流
量計で測定した塗料組成物・二酸化炭素混合物の流量を
示す。図10の線＃３は歯車流量計の読みと流量計の読み
との差から計算した流量を示す。これらの総合プロット
は同一の傾向を示し、90秒に対する塗料組成物と塗料組
成物・二酸化炭素混合物のそれはそれぞれ219.5cc及び3
10.9ccであった。従って、本発明の方法からの二酸化炭
素の90秒にわたる全量は91.4ccとなり、質量流量計から
のそれは92.0となる。このことは２つの流量計の組み合
わせにより二酸化炭素の正確な測定と調整が可能となる
ことを示す。
例４ 図11は、例７の塗料組成を使用した１）塗料組成物、
２）塗料組成物と二酸化炭素の混合物の、800秒間欠吹
付に対する流量の２つのプロットを示す。但し循環ルー
プは使用しなかった。図11の点＃１は精密歯車流量計10
4により測定された塗料組成物の流量、及び＃２は精密
歯車流量計111で測定した塗料組成物・二酸化炭素混合
物の流量を示す。総合すると、これらのプロットは同一
の傾向に従い、また塗料組成物の流量と塗料組成物・二
酸化炭素混合物の流量の総和は800秒に対してそれぞれ2
195cc及び3109ccだった。従って、本発明の方法により
計算すると二酸化炭素の量は800秒間に対して914ccであ
る。これに対して質量流量計では920ccである。この例
は２つの流量計の組み合わせにより二酸化炭素の正確な
測定と調整が可能となることを示す。
例５ この例では、二酸化炭素質量流量計から得た流量と、
２つの体積流量計から得た全二酸化炭素流量が異なった
プロセス条件下で比較された。図７に示した装置を使用
して比較した。
相対誤差は（本発明によるCO2測定値−CO2質量流量）
/CO2質量流量で定義される。
温度を高くすると予想されるように、混和した塗料組
成物の密度は変動する。体積流量に依存すると混合物の
密度変化は大きい誤差となる。
例６ 図７に示した装置から塗料組成物と混和した二酸化炭
素の全量を吹付けた。使用した二酸化炭素の量は１つの
質量流量計と２つの歯車体積流量計を使用して測定し
た。塗料組成物は69重量％のAT−954アクリル樹脂（Roh
m ＆ Haas社製）と31重量％のMAKであった。塗料組成物
及び二酸化炭素混合装置の圧力と温度はそれぞれ1600ps
i（72kg/cm2）及び36℃であった。
透明な溶液の外観は単相を示している。濁り外観は溶
液が二相であることを示す。この例は単相溶液が維持さ
れると流体の高度に正確な配合が可能になることを示
す。二相溶液が作られると溶液の密度が急速に上がり始
め、配合装置の精度が低下する。
例７ 例１の装置を使用して、表１の二酸化炭素を含有する
組成物を1500psi（69.7kg/cm2）、50℃で吹付した。
1500psiでは、塗料組成物と超臨界二酸化炭素の密度
はそれぞれ0.9652g/cc、0.3978g/ccであった。混合物の
密度は1.2g/cc以下に減少した。二酸化炭素を組成物
（ａ）に30％まで添加すると、混合物の密度は1.2％以
下に減じた。しかし、二酸化炭素を40％以上添加する
と、混合物の密度は相当に減少し、塗料組成物は明白
に、二酸化炭素富化相と重合体富化相との二相になっ
た。
例８ 図13は図６に示した吹付装置により測定した、1500ps
i（69.7kg/cm2）及び50℃における二酸化炭素を含有す
る下記の塗料組成を有する混合物の密度を表す。1500ps
i及び50℃では、塗料組成物と超臨界二酸化炭素の密度
はそれぞれ0.9700g/cc及び0.3978g/ccであった。二酸化
炭素を混和塗料組成物に40％近くまで添加すると、混和
塗料組成混合物の密度は1.5％以下しか減少しなかっ
た。しかし、二酸化炭素が45％以上になると、混合物の
密度は相当に減少し、はっきりした二相に分離した。
成分 重量％ アルキド樹脂6255−03 20.6％ ニトロセルロース 5.7％ 可塑剤ticizer 9.5％ 水 4.8％ 溶剤 57.1％ （MAK、イソプロピルアルコール、ｎ−ブタノール混
合） 例９ 図14は1500psi（69.7kg/cm2）及び50℃における超臨
界エタンを含有する例８の塗料組成物の混合物密度を図
５の装置を使用してプロットしたものである。1500psi
及び50℃では、塗料組成物と超臨界エタンの密度はそれ
ぞれ0.9652g/cc及び0.203g/ccであった。エタンを組成
物を約25％添加するまでは、混合物は単一の透明相を形
成した。しかし混合物の密度は19％以上も減少した。
例10 図15は1500psi（69.7kg/cm2）及び50℃における超臨
界エタンを含有する例７の塗料組成物の混合物密度を図
６の装置を使用してプロットしたものである。1500psi
及び50℃では、100％塗料組成物と超臨界エタンの密度
はそれぞれ0.9652g/cc及び0.203g/ccであった。エタン
を組成物に17％添加するまでは、混合物は単一の透明相
を形成した。しかし混合物の密度は11.7％以上も減少し
た。
図12〜15は明らかに粘度調整剤としての本発明の超臨
界二酸化炭素を使用した時、混和した塗料組成物が予想
もしない一定の密度特性を有することを示す。しかし、
二相が生じると、混合物の密度は圧縮性流体の量の増加
と共に大きく変動することが分かる。エタン混合物は混
合したときに実質的に一定の密度を示さず、圧縮流体量
の増加に従ってかなり大きく変動する。従って、エタン
はこれらの混合物の正確な配合には適さない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｇ０５Ｄ 11/02 Ｇ０５Ｄ 11/02 (72)発明者 イングルマン，リチャード アレン アメリカ合衆国 25312 ウエストバー ジニア，チャールストン，タウンコート 108 (72)発明者 コンドロン，ジェイムズ アンドルー アメリカ合衆国 25526 ウエストバー ジニア，ハリカン，ウェッジウッド ド ライブ 11 (56)参考文献 特開 平３−207436（ＪＰ，Ａ) 米国特許4923720（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B01F 3/04,15/04 B05C 7/24

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】実質的に圧縮性の流体と実質的に非圧縮性
    の流体の所定割合の混合物を形成するにあたり、 ａ）非圧縮性流体を供給し、 ｂ）前記非圧縮性の流体の体積流量を測定し、 ｃ）圧縮性流体を供給し、 ｄ）前記非圧縮性流体を、得られる混合物の密度が実質
    的に非圧縮性の流体として挙動するように充分な量の前
    記圧縮性流体と混合して混合物を得、 ｅ）前記混合物の体積流量を測定し、そして ｆ）前記混合物の体積流量に基づいて前記圧縮性流体の
    流量を制御することよりなる実質的に圧縮性流体と実質
    的に非圧縮性の流体の所定割合の混合物を形成する方
    法。
  2. 【請求項２】非圧縮性流体が重合体であり、圧縮性流体
    が超臨界流体である請求項１の方法。
  3. 【請求項３】前記重合体と超臨界流体の混合物が基体に
    吹付けられる請求項２の方法。
  4. 【請求項４】前記重合体と超臨界流体の混合物が基が吹
    付けに先立って再循環される請求項３の方法。
  5. 【請求項５】前記体積流量の測定の前に第２の非圧縮性
    流体が前記圧縮性流体に供給される請求項１の方法。
  6. 【請求項６】精密歯車流量計が前記圧縮性流体と前記混
    合物の流量の測定に使用される請求項１の方法。
  7. 【請求項７】実質的に圧縮性の流体と実質的に非圧縮性
    の流体を所定の割合に連続的に混合するための装置にお
    いて、 ａ）実質的に圧縮性の流体を供給する手段、 ｂ）実質的に非圧縮性の流体を供給する手段、 ｃ）前記実質的に非圧縮性の流体の体積流量を測定する
    手段、 ｄ）前記実質的に非圧縮性の流体の体積流量に基づく信
    号を発生する手段、 ｅ）測定された前記実質的に非圧縮性の流体と前記実質
    的に圧縮性と流体との混合物を、得られる混合物の密度
    が実質的に非圧縮性の流体に類似の挙動を示すように形
    成する手段、 ｆ）前記混合物の体積流量を測定する手段、 ｇ）前記実質的に圧縮性の流体の流量と前記実質的に非
    圧縮性の流体の混合物の流量に基づく信号を発生する手
    段、及び ｈ）前記（ｄ）及び（ｇ）において発生された信号に応
    じて前記実質的に圧縮性の流体の流量を制御する手段 より構成される実質的に圧縮性の流体と実質的に非圧縮
    性の流体を所定の割合に連続的に混合するための装置。
  8. 【請求項８】実質的に圧縮性の流体の流量を測定する手
    段は押しのけ型ポンプである請求項７の装置。
  9. 【請求項９】前記実質的に非圧縮性の流体の体積流量を
    測定する手段、及び前記実質的に非圧縮性の流体と前記
    実質的に圧縮性の流体との混合物の体積流量を測定する
    手段は、それぞれ歯車流量計である請求項７の装置。
  10. 【請求項１０】前記実質的に非圧縮性の流体の体積流量
    を測定する手段は歯車流量計である請求項７の装置。
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