JP6181094B2 - 回転霧化型静電塗装機及びそのシェーピングエアリング - Google Patents

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Description

本発明は回転霧化型静電塗装機及びそのシェーピングエアリングに関する。
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。静電塗装機が自動車ボディの塗装に採用されて久しい。静電塗装機は、自動車業界の要請に応じるために進化し続けている。この要請を大別すると２つに分類することができる。一つは、無駄になる塗料の量を一層低減することである。つまり塗着効率の一層の向上である。他の一つは塗装の高品質化である。この塗装の高品質化で重要視されるメタリック塗装の高品質化に対する従来のアプローチでは、強いシェーピングエアを使用する手法が長年採用されてきた。
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。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
上記式１によれば、次のことが分かる。すなわち、塗料粒子の直径Ｐは、ベルカップに供給する塗料の量Ｑつまり塗装機の塗料の吐出量に比例する。換言すれば、式１は、塗料の吐出量を増やすと、塗料粒子の直径Ｐは大きくなることを教えている。
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。
メタリック塗装は、その品質を高めるのに自動車ボディの面に対する塗料粒子の衝突速度を速くすれば良いということが知られている。この考えに基づいてメタリック塗装に適用可能な静電塗装機が開発された。業界では、「メタベル」と呼ばれている（特許文献１）。
メタベルは、ベルカップの背面又はベルカップの外周縁にシェーピングエアを差し向ける構成が採用されている。メタベルのシェーピングエアは、(a)塗料の微粒化と、(b)塗料粒子をワークに差し向けて塗装パターンを規定する、この２つの役割が与えられている。(b)の塗装パターンを規定する機能を高めるために、ベルカップの回転方向と逆方向にシェーピングエアを捻る静電塗装機が開発されている（特許文献２）。この特許文献２は、また、径方向外方に追加のシェーピングエアを前方に向けて吐出すると共にシェーピングエアの吐出圧力又は流量を制御することで塗装パターン幅を制御することを提案している。
特開平３−１０１８５８号公報 特開２０１２−１１５７３６号公報
ところで、静電塗装機が設置される塗装工程は自動車生産ラインの一部を構成する。すなわち、自動車生産ラインはプレス工程、溶接工程、塗装工程、組立工程を含む。
自動車生産ラインに設置された静電塗装機は、今現在、例えば次のパラメータの下で運用されている。
(i)ベルカップの回転数 20,000〜30,000rpm
(ii)塗料吐出量 200〜300cc/min
(iii)シェーピングエアの捻り角度 30〜45°
(iv)ベルカップの直径 77mm
(v)シェーピングエア吐出圧 0.10〜0.15MPa
(vi)シェーピングエア流量 500〜650Nl/min
(vii)塗装パターン幅 直径300〜350mm
(viii)塗着効率 約60〜70％
ここに、上記シェーピングエアの捻り角度は、ベルカップの背面又はベルカップの外周縁に差し向けられるシェーピングエアの捻り角度を意味する。
メタリック塗料の場合、強いシェーピングエア(0.20MPa,650Nl/min)を使用するため塗着効率は、メタリック塗装ではない塗装つまりソリッド塗装との対比で、約１０％低下している。塗装パターン幅は直径約320mmである。
なお、ベルカップの直径は、塗装機メーカによって70mm、65mmがある。これらは、自動車ボディの外板の塗装に用いられる。バンパーや小物部品の塗装には、直径30mm、40mm、50mmのベルカップを備えた静電塗装機が使われている。また、ベルカップの回転数は30,000rpmよりも高速の場合もある。
静電塗装機が吐出する塗料の量を増やした場合、塗装速度を高めて膜厚を一定に保つ必要がある。例えば塗料吐出量を従来の２倍にしたときには、従来と同じ膜厚を保つために塗装速度を２倍にすることで、塗装機の台数を減らすことができる。換言すれば、塗装機の台数が従来と同じであれば、塗装工程に要する時間を短縮できる。これにより、静電塗装機の塗料吐出量を例えば現在の200〜300cc/minから例えば500cc/minや1,000cc/minに増やすことができれば自動車生産ラインの生産能力の向上に大きく貢献できる。しかし、回転霧化型静電塗装機の塗料吐出量をただ単に増やせば良いという単純な話ではない。塗料吐出量を増やせば塗料粒子の直径が大きくなり塗装品質を維持するのが難しくなる。つまり、塗料吐出量と塗装品質とは二律背反の関係にある。
この二律背反の問題に対して、塗料微粒化のための従来の手法を採用したときには、次の問題が発生する。従来の手法とは、前述した式１、式４の教示に基づいて、ベルカップの回転数を高くする及び／又はベルカップの直径を大きくすることである。
（１）ベルカップの回転数を高く設定する場合の問題点：
(1-1)塗着効率の低下：
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働く。回転数が高くなると遠心力は大きくなる。遠心力が大きくなるほど、この遠心力に打ち勝って塗料粒子をワークに向けて偏向するのにシェーピングエアの吐出圧力又は流量を高くする必要がある。しかし、シェーピングエアを強くすると、塗料粒子がワーク表面に当たる速度が高くなると同時に、ワークに当たったシェーピングエアが跳ね返ってしまう。シェーピングエアの跳ね返りによって、塗料粒子がワーク表面に付着する前に吹き飛ばされる。このことから、シェーピングエアを強くすることは塗着効率の低下を招くという問題がある。
(1-2)二重パターン：
シェーピングエアを強くすると塗装パターンが二重になり易い。二重パターンとは、塗料粒子の重さの相違によって、塗装パターンの中心部分に小さな塗料粒子（軽い粒子）が集まり、外周部分に大きな塗料粒子（重い粒子）が集まる状態をいう。そして、二重の塗装パターンが発生すると、相対的に中心部分の塗装膜の厚さが厚く、外周部分の塗装膜の厚さが薄くなる傾向がある。その結果、二重の塗装パターンでは塗装の膜厚が不均一になり易いという問題がある。
（２）直径の大きなベルカップの問題点：
(2-1)オーバースプレー：
直径の大きなベルカップを採用すると塗装パターン幅つまり塗装パターンの直径が大きくなる。塗装パターン幅が大きくなると、例えば塗装機の往復運動によって塗膜を形成する場合に均一な膜厚の塗装面を実現するために、円形の塗装パターンの半分をオーバースプレーする必要がある。このことは、オーバースプレーによって無駄になる塗料の量が増大することを意味する。
(2-2)塗料粒子に作用する遠心力：
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。したがって大きな半径の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。大きな遠心力が塗料粒子に作用することに伴って発生する問題点は前述した通りである。
本発明の主なる目的は、塗料吐出量の増加と塗装品質の維持との前述した二律背反の問題を解消できる回転霧化型静電塗装機及びそのシェーピングエアリングを提供することにある。
本発明の更なる目的は、比較的簡単に取り替えることのできるベルカップ及びシェーピングエアリングを交換するだけで塗料吐出量と塗装品質との前述した二律背反の問題を解消できる回転霧化型静電塗装機及びそのシェーピングエアリングを提供することにある。
本発明の更なる目的は、塗着効率を高めることのできる回転霧化型静電塗装機及びそのシェーピングエアリングを提供することにある。
本件発明者らは、上記の技術的課題の下で、ベルカップ背面に当てるシェーピングエアの捻り角度に着目して、試作機を作ってデータを検証した。本件発明者らは、試作機から得られた検証に基づいて本発明を提案するものである。
上記の技術的課題は、本発明によれば、基本的には、
塗料の最大吐出量が1000cc/min〜300cc/minである回転霧化型静電塗装機であって、
微粒化エアが当たる背面の角度が90°以下のベルカップと、
該ベルカップ背面に向けて差し向けられる前記微粒化エアを吐出する第１エア孔と、
該第１エア孔よりも外周側に配置された第２エア孔であって、該第２エア孔から吐出されるパターンエアを前記ベルカップの外周縁より径方向外方を通過させる第２エア孔とを有し、
該第１エア孔が前記ベルカップの回転軸線を中心にした円周上に等間隔に配置され、
該第１エア孔が前記ベルカップの回転方向とは逆方向に指向され、
該第１エア孔から吐出される前記微粒化エアが前記ベルカップの回転方向とは逆方向に50°以上60°未満の角度に捻られてい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。
図１〜図３は、試作した回転霧化型静電塗装機の先端部を示す模式図である。図中、参照符号１０はベルカップを示し、参照符号１２はシェーピングエアリングを示す。図１に図示のベルカップ１０は、その背面の角度が60°である。ここに、ベルカップ１０の背面角度とは、ベルカップ１０の外周縁が占める平面を基準にしたベルカップ１０の背面１０aの角度をいう。図２に図示のベルカップ１０は、その背面の角度が75°である。図３に図示のベルカップ１０は、その背面の角度が90°である。ベルカップ１０の直径は77mmである。
図１〜図３において、背面角度の異なる３種類のベルカップ１０を識別するために、背面角度60°のベルカップに参照符号１０(60)を付し（図１）、背面角度75°のベルカップに参照符号１０(75)を付し（図２）、背面角度90°のベルカップに参照符号１０(90)を付してある（図３）。
図１〜図３に図示の三種類の回転霧化型静電塗装機から得られるデータを整合させるために、微粒化エアつまりシェーピングエアSA-INを吐出する第１エア孔は、直径0.7mm、孔の数は52個であった。また、塗装条件は次の通りであった。
(1)高電圧：-80kV
(2)塗料吐出量：従来の約２倍の600cc/min
(3)ベルカップ回転数：25,000rpm
(4)塗装スピード（ガン速度）：350mm/sec
(5)塗装距離（ガン距離）：200mm
以下の説明において、微粒化エアつまりシェーピングエアSA-INの捻り角度とはベルカップの回転方向とは逆方向の捻り角度を意味する。
上記の表１〜９において、「d10」の値「11.75μm」(表１)とは全粒子の10％が11.75μm以下の粒径であることを意味している。「d50」の値「23.06μm」(表１)とは全粒子の50％が23.06μm以下の粒径であることを意味している。「d90」の値「61.20μm」(表１)とは全粒子の90％が61.20μm以下の粒径であることを意味している。同様に、ザウター平均粒子径の値が「21.07μm」(表１)とは、全粒子の総体積を総面積で除算した値であることを意味しており、ザウター平均粒子径は、粒径Xiの粒の数をniとして次の式５で導かれる。
式５
上記の表１〜９において、本件発明者らは、塗料吐出量が従来の約２倍である600cc/minであるにも関わらず、塗料粒子の直径が極めて良好な数値であることに注目し、捻り角度と微粒化との関係を考察した。
図４、図５は、ベルカップ１０の背面１０aと、この背面１０aに差し向けられた微粒化エアつまりシェーピングエアSA-INの捻り角度との関係を説明するための図である。図４は、シェーピングエアSA-INの捻り角度がゼロの例を示す。図４(I)はベルカップの側面図である。図４(II)はシェーピングエアSA-INに沿って切断したベルカップの断面図である。図４(II)において、ベルカップ１０の外周縁部の見かけ上の角度をＡn(a)で示す。ベルカップ１０の地点Ｐに差し向けられたシェーピングエアSA-INの入射角度をθ0で示す。
図５は、シェーピングエアSA-INの捻り角度がβの例を示す。図５(I)はベルカップの側面図である。図中、矢印Ｒはベルカップ１０の回転方向を示す。図５(II)はシェーピングエアSA-INに沿って切断したベルカップの断面図である。
図５(I)から分かるように、捻り角度βのシェーピングエアSA-INはベルカップ１０の背面１０aに対して傾斜した状態で入射する。ここに、「傾斜」とはベルカップ１０の回転軸線Axに対して傾斜しているという意味である。
図５(II)は、前述した図４(II)と同様に、シェーピングエアSA-INに沿って切断した断面図である。換言すれば、図５(II)は、ベルカップ１０を斜めに切断した図である。シェーピングエアSA-INが捻り角度βを有する場合、捻り角度ゼロ（図４(II)）の場合に比べて、ベルカップ１０の外周縁部の見かけ上の角度Ａn(a)が小さくなる。このことから、シェーピングエアSA-INのベルカップ１０に対する入射角度θ1（図５(II)）が捻り角度ゼロ（図４(II)）の場合に比べて小さくなる(θ1＜θ0)。
捻り角度βを有するシェーピングエアSA-INのベルカップ１０への入射角度θ1は、捻り角度βが大きくなるほど小さくなる。捻り角度βと入射角度θ1との関係を試算した数値は次のとおりである。
(1)捻り角度β＝55°・・・入射角度θ1＝18.49°；
(2)捻り角度β＝56°・・・入射角度θ1＝18.07°；
(3)捻り角度β＝57°・・・入射角度θ1＝17.64°；
(4)捻り角度β＝58°・・・入射角度θ1＝17.21°；
(5)捻り角度β＝59°・・・入射角度θ1＝16.77°；
(6)捻り角度β＝60°・・・入射角度θ1＝16.32°。
シェーピングエアの捻り角度βとシェーピングエアSA-INのベルカップ１０への入射角度θ1との関係は、塗料粒子の微粒化を検討する上で次のことを教えている。
前述したように、シェーピングエアSA-INの捻り角度βが大きくなる程、このシェーピングエアSA-INの入射角度θ1（図５(II)）が小さくなる。換言すれば、捻り角度βが大きくなる程、ベルカップ背面１０aで反射するシェーピングエアSA-INの反射角度が小さくなる。
そして、シェーピングエアSA-INの反射角度が小さくなればなる程、ベルカップ背面１０aで反射したシェーピングエアSA-INの到達点がベルカップ１０の外周縁に近づくことを意味する。
ベルカップ１０の外周縁から塗料の液糸が延出する。そして、この液糸の先端から離れた塗料が塗料粒子を形作る。微粒化エアつまりシェーピングエアSA-INをベルカップ１０の外周縁の近傍に差し向けることで、シェーピングエアSA-INは液糸を切断するのに貢献することができる。このことは、塗料粒子の一層の微粒化が可能であることを意味する。そして、このシェーピングエアSA-INがベルカップ１０の回転方向とは逆方向の捻り角度βを有することで、シェーピングエアSA-INは、ベルカップ１０の回転方向と同じ方向の捻り角度を有する場合に比べて、効果的に液糸を切断することができる。このことは微粒化の度合いが高くなることを意味している。
塗料の微粒化のために従来から採用されていた２つの手法、つまり(1)ベルカップの回転数を高くする、(2)ベルカップの直径を大きくする手法に加えて、本発明によれば、シェーピングエアの捻り角度を大きくする手法を提案することができる。この捻り角度を大きくする手法は、ベルカップの回転数、ベルカップの直径から独立しており、これらとの相関関係は無い。したがって、捻り角度とベルカップの回転数との組み合わせなどを使って塗料粒子の一層の微粒化を図ることができる。
表１〜９を再び参照して、塗料吐出量が従来の約２倍である600cc/minであるにも関わらず、塗料粒子の直径が極めて良好な数値である。このことは、図５を参照して説明した液糸の切断効果の観点に立脚すれば良く理解できる。
次に、発明者らは、表３、表６の試作機のデータを収集したときの現象に注目した。表３の試作機と表６の試作機は捻り角度βが60°である点で共通している。表３、表６の試作機では、塗料粒子が前方に向かうことなく、ベルカップ１０側に逆流した。
この現象は、捻り角度βが60°の微粒化エアつまりシェーピングエアSA-INは、周囲環境の下では、塗料粒子を前方に差し向ける力が実質的にゼロ又はマイナスであることを意味している。換言すれば、捻り角度60°のシェーピングエアSA-INは、上記液糸の切断効果が優れていたとしても、塗料粒子を逆流させてしまう。
発明者らは、この点に注目した。捻り角度βを50°以上の値に設定した場合、この捻り角度βが塗料粒子の微粒化に貢献できるのは前述した通りである。しかし、捻り角度βが60°になると、塗料粒子を前方に差し向ける力がゼロになる。このことは、捻り角度60°の近傍且つこれよりも小さい捻り角度βは、塗料粒子を前方に差し向ける力が微弱であることを意味する。つまり、捻り角度60°の近傍且つこれよりも小さい捻り角度βに設定すれば、シェーピングエアSA-INの力を塗料粒子の微粒化のために最大限役立たせることができる、と言うことができる。
塗料粒子を前方に差し向ける力がゼロになる捻り角度βは、シェーピングエアSA-INの吐出圧力や他のパラメータによって変化する。塗料粒子を前方に差し向ける力がゼロになる捻り角度βを実験により求めて、これをシェーピングエアSA-INの捻り角度に設定した静電塗装機を作製すれば、このシェーピングエアSA-INは、理論的に、シェーピングエアSA-INの力の全てを塗料粒子の微粒化に役立たせることができる。換言すれば、シェーピングエアSA-INによって塗料粒子を前方に差し向ける力はゼロになる。つまり、シェーピングエアSA-INの機能を塗料粒子の微粒化に特化することができる。
シェーピングエアSA-INの捻り角度60°の近傍且つこれよりも小さい捻り角度βの最適値を探るために、捻り角度55°、56°、57°、58°、59°、60°の試作機を作製した。これらの試作機は、ベルカップ１０の直径が77mm、背面角度は60°であった。また、シェーピングエアSA-INを吐出する孔は、直径0.7mm、孔の数は52個であった。また、塗装条件は次の通りであった。
(1)高電圧：-80kV
(2)塗料吐出量（流量）：600cc/min
(3)ベルカップ回転数：25,000rpm
(4)塗装スピード（ガン速度）：350mm/sec
(5)塗装距離（ガン距離）：200mm
上記の試作機から得られたデータによれば、シェーピングエアSA-INの捻り角度βは56°〜59°が好ましく、より好ましくは56°〜58°であることが分かる。
図６は、シェーピングエアSA-INの捻り角度βと塗料粒子の微粒化との関係を示す。収集したデータを整理して、シェーピングエアSA-INの捻り角度βと塗料粒子の微粒化との関係を検討するときに、この図６を作成した。ベルカップ１０の回転数は25,000rpmであった。また、塗料吐出量（流量）は600cc/minであった。当業者であれば、図６に図示のデータから次のことが分かる。すなわち捻り角度βを大きくする程、塗料粒子は小さくなる傾向がある。
図７は、シェーピングエアSA-INの捻り角度βと塗着効率との関係を示す。収集したデータを整理して、シェーピングエアSA-INの捻り角度βと塗着効率を検討するときに、この図７を作成した。ベルカップ１０の回転数は25,000rpmであった。また、塗料吐出量は600cc/minであった。当業者であれば、図７に図示のデータから次のことが分かる。すなわち、シェーピングエアSA-INの捻り角度βを55°〜59°未満に設定すると、従来の塗着効率である約85％よりも遙かに効率が良くなる。
図８は、ベルカップ１０の回転数が従来よりも低回転の領域で高い塗着効率が実現できているかを検討するときに作成した図である。塗料粒子の平均粒径が同一（塗料の平均粒径20.5μm）という条件の下でデータを整理して、この図８を作成した。塗料吐出量は600cc/minであった。シェーピングエアSA-INの捻り角度βは57°であった。
図８は次のことを示している。
(1)シェーピングエアSA-INの吐出圧力0.03MPa、ベルカップ１０の回転数25,000rpmのときの塗着効率は91.6％であった。
(2)シェーピングエアSA-INの吐出圧力0.06MPa、ベルカップ１０の回転数22,500rpmのときの塗着効率は89.5％であった。
(3)シェーピングエアSA-INの吐出圧力0.09MPa、ベルカップ１０の回転数20,000rpmのときの塗着効率は91.4％であった。
(4)シェーピングエアSA-INの吐出圧力0.12MPa、ベルカップ１０の回転数17,500rpmのときの塗着効率は91.3％であった。
(5)シェーピングエアSA-INの吐出圧力0.15MPa、ベルカップ１０の回転数15,000rpmのときの塗着効率は91.6％であった。
図８を参照したときに、当業者であれば、ベルカップ１０が従来に比べて低回転であり且つ塗料吐出量が大量であるにも関わらず高い塗着効率を実現できていることに驚くであろう。
図９に図示の回転霧化型静電塗装機は比較例である。図９に図示の静電塗装機１は、現在使用されている典型的な回転霧化型塗装機である。ベルカップ２の背面角度は40°である。シェーピングエアリング３とベルカップ２の外周縁との間の軸線方向距離は22.86mmである。シェーピングエアSA-INが当たる点Ｐとベルカップ外周縁との間の軸線方向距離は2.4mmである。
一つの微粒化エアつまりシェーピングエアSA-INに注目したときに、このシェーピングエアSA-INがベルカップ２に当たるまでの距離Ｌ0は26.7mmである。距離Ｌを「エア到達距離」と呼ぶ。
エア到達距離Ｌの大小は、シェーピングエアSA-INが上記液糸を切断する、その効果に影響する。エア到達距離Ｌが大きいと、シェーピングエアSA-INがベルカップ背面に到達するときの、その運動量が小さくなる。弱いシェーピングエアSA-INは上記液糸を切断する力が弱くなる。このことは塗料粒子の微粒化に対してマイナスに作用する。
図９に図示の回転霧化型静電塗装機１において、シェーピングエアSA-INの捻り角度βを50°以上60°未満に設定した場合を想定する。この場合、捻り角度βを50°以上60°未満に設定することで塗料粒子を微粒化できる。しかし、捻り角度βが大きくなると、エア到達距離Ｌが大きくなる。エア到達距離Ｌが大きくなるとシェーピングエアSA-INによる液糸切断力が弱くなる。
この問題を解消するには、エア到達距離Ｌが従来のエア到達距離Ｌ0（26.7mm）と等しくなるようにシェーピングエアリング３とベルカップ２の外周縁との間の軸線方向距離を設定するのが良い。エア到達距離Ｌを従来と同じに設定すれば、理論的には、周囲環境の従来と同じ抵抗がシェーピングエアSA-INに作用する。これにより、捻り角度βを50°以上60°未満に設定することによるメリット、つまり塗料粒子の微粒化を享受することができる。
エア到達距離Ｌを従来のエア到達距離Ｌ0（26.7mm）よりも小さな値となるようにシェーピングエアリング３とベルカップ２の外周縁との間の軸線方向距離を設定した場合には、周囲環境による抵抗を小さくすることができる。すなわち、運動量が十分に大きな状態のシェーピングエアSA-INを液糸に衝突させることができる。したがって、シェーピングエアSA-INの吐出圧力及び／又は流量を従来と同じに設定したときには、前記液糸を切断するときのシェーピングエアSA-INの切断力を大きくすることができる。これにより塗料粒子を一層微粒化できる。
塗料粒子の粒径は従来と同じであってもよい、という要請であれば、シェーピングエアSA-INの吐出圧力及び／又は流量を従来よりも小さな値に設定できる。これにより、シェーピングエアSA-INによって塗料粒子を前方に差し向ける力を弱めることができる。また、ベルカップの回転数を従来よりも低い値に設定することができる。また、小さな直径のベルカップを採用することができる。これにより、塗料粒子に作用する遠心力を小さくすることができる。塗料粒子に作用する遠心力が小さければ、塗料粒子を前方に差し向けるための力は小さくてもよい。このことは、塗装パターンの幅（塗装パターンの直径）の制御が容易になることを意味する。
塗装パターン幅を制御するのに、上記シェーピングエアSA-INの外周に追加のシェーピングエアSA-OUTを採用してもよい。この追加のシェーピングエアSA-OUTをON―OFF又は吐出圧力及び／又は吐出流量を制御することで塗装パターン幅を制御すればよい。すなわち、追加のシェーピングエアSA-OUTは塗装パターン幅を制御すると同時に微粒化された塗料粒子を被塗物に差し向ける機能を有する。この機能を奏するのに、追加のシェーピングエアSA-OUTは最小限のエアでよい。変形例として、塗装パターン幅を制御するときに、上記のシェーピングエアSA-INの吐出圧力及び／又は吐出流量の制御を加えてもよい。
上記エア到達距離Ｌはベルカップ１０の直径によって最適値が異なるが、ベルカップ１０の直径が約70mm〜77mmの場合、エア到達距離Ｌは30mm〜1mm、好ましくは15mm〜1mm、最も好ましくは10mm〜1mmである。
図１０は、エア到達距離Ｌとして8.63mmを設定した試作機を示す（Ｌ＝8.63mm）。図１０に図示の試作機において、ベルカップ１０の直径は77mmである。また、ベルカップ１０の外周縁とシェーピングエアリング１２との間の軸線方向距離は12.4mmであり、シェーピングエアSA-INがベルカップ１０に当たる点とベルカップの外周縁との間の軸線方向距離は7.7mmである。シェーピングエアSA-INの捻り角度は57°である。図１０に図示の試作機のデータを次の表１６に示す。表１６から分かるように良好な結果が得られた。
なお、塗装条件は次の通りであった。
(1)高電圧：-80kV
(2)塗料吐出量（流量）：600cc/min
(3)ベルカップ回転数：25,000rpm
(4)塗装スピード（ガン速度）：350mm/sec
(5)塗装距離（ガン距離）：200mm
当業者であれば、上記表１６のシェーピングエアSA-INの数値との関係で平均塗料粒子径の数値に驚くであろう。すなわち、シェーピングエアSA-INの吐出圧力が低いにも関わらず塗料粒子が十分に微粒化していることが分かる。これは、静電塗装機の微粒化性能が格段に向上していることを意味する。そして、このことは塗料吐出量が従来に比べて大量であっても言える。
本発明に従う回転霧化型静電塗装機は、強いシェーピングエアを使わなくても塗料粒子の微粒化が可能である。メタリック塗装は、前述したように、その品質を高めるのに自動車ボディの面に対する塗料粒子の衝突速度を速くすれば良いということが知られており、この考えに基づいて従来の回転霧化型静電塗装機では強いシェーピングエアが使われている。本発明の塗装機によれば、強いシェーピングエアを使うことなく、塗料粒子を微粒化することでメタリック塗装の品質を高めることができる。したがって、従来のメタリック塗装との対比で相対的に弱いシェーピングエアを使うことで、本発明の回転霧化型静電塗装機を使ったメタリック塗料の塗着効率を高めることができる。このことは塗料吐出量が従来に比べて大量であっても言える。
試作品の静電塗装機の先端部分を示す図であって、図示の静電塗装機は、背面角度が60°のベルカップを備えている。 試作品の静電塗装機の先端部分を示す図であって、図示の静電塗装機は、背面角度が75°のベルカップを備えている。 試作品の静電塗装機の先端部分を示す図であって、図示の静電塗装機は、背面角度が90°のベルカップを備えている。 比較例として、シェーピングエアの捻り角度がゼロのとき、シェーピングエアがベルカップ背面に当たるときの入射角度を説明するための図であり、(I)はベルカップの側面図であり、(II)は(I)の4(II)-4(II)線に沿って切断した断面図である。 シェーピングエアが捻り角度を備えているときに、シェーピングエアがベルカップ背面に当たるときの入射角度が相対的に小さくなることを説明するための図であり、(I)はベルカップの側面図であり、(II)は(I)の5(II)-5(II)線に沿って切断した断面図である。 シェーピングエアSA-INの捻り角度βと塗料粒子の微粒化との関係を示す図である。 シェーピングエアSA-INの捻り角度βと塗着効率との関係を示す図である。 試作品の塗装機が低回転の領域で高い塗着効率が実現できているかを検討するために作成した図である。 比較例の回転霧化型静電塗装機の先端部分を示す図であり、エア到達距離Ｌ0=26.7mmである。 エア到達距離Ｌが8.63mmの回転霧化型静電塗装機の先端部分を示す図である。 実施例の静電塗装機の先端部分を示す図である。 図１１の塗装機に含まれるシェーピングエアリングの正面図である。 実施例の塗装機の塗装パターンの制御能力を示す図である（塗料吐出量は600cc/min）。 実施例の塗装機の塗料吐出量を200cc/minに設定したときに微粒化エア（第１シェーピングエアSA-IN）の吐出圧力だけを変化させたときの塗装パターン制御能力を示す図である。 実施例の塗装機の塗料吐出量を200cc/minに設定したときにパターンエア（第２シェーピングエアSA-OUT）の吐出圧力だけを変化させたときの塗装パターン制御能力を示す図である。 実施例の塗装機の塗料吐出量を600cc/minと200cc/minとに大きく変化させると共に塗装パターン幅を変化させることができることを示す図である。 実施例の塗装機を使って塗装したときの塗膜の膜厚分布図である。
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。
実施例の回転霧化型静電塗装機（図１１〜図１７）：
図１１は実施例の回転霧化型静電塗装機の先端部分の側面図である。図１１に図示の静電塗装機２０は、ベルカップ２２とシェーピングエアリング２４とを有している。ベルカップ２２の直径は77mmである。ベルカップの背面２２aの背面角度は60°である。
シェーピングエアリング２４は、従来に比べて前方に位置決めされている。図１２は、シェーピングエアリング２４の正面図である。シェーピングエアリング２４は、ベルカップ２２の回転軸線Axを中心とした第１の円周（半径35.95mm）上に位置する第１のエア吐出孔群２６と、その外周側の第２の円周（半径46.1mm）上に位置する第２のエア吐出孔群２８とを有している。
第１のエア吐出孔群２６は、等間隔に配置された複数の第１のエア吐出孔３０で構成されている。この第１のエア吐出孔３０から吐出されるエアが、先に説明したシェーピングエアSA-INである。第１のエア吐出孔３０を「微粒化エア孔」と呼ぶ。微粒化エア孔３０の直径は0.5mmである。微粒化エア孔３０の数は「90」である。
第２のエア吐出孔群２８は、等間隔に配置された複数の第２のエア吐出孔３２で構成されている。この第２のエア吐出孔３２を「パターンエア孔」と呼ぶ。パターンエア孔３２の直径は、微粒化エア孔３０よりも大きい0.8mmである。パターンエア孔３２の数は、微粒化エア孔３０の半分よりも少ない「40」である。
微粒化エア孔３０とパターンエア孔３２には独立した経路からエアが供給される。したがって、微粒化エア孔３０から吐出される第１シェーピングエアSA-INの吐出圧力及び流量と、パターンエア孔３２から吐出される第２シェーピングエアSA-OUTの吐出圧力及び流量とは、個々独立して制御することができる。
第１シェーピングエアSA-IN及び第２シェーピングエアSA-OUTは、共に、ベルカップ２２の回転方向とは逆方向に捻り角度を有する。すなわち、微粒化エア孔３０及びパターンエア孔３２は、共に、ベルカップ２２の回転方向とは逆方向に傾斜した孔で構成されている。
微粒化エア孔３０から吐出される第１シェーピングエアSA-INを「微粒化エア」と呼ぶ。微粒化エアSA-INはベルカップ２２の背面２２aに向けて指向されている。微粒化エア孔３０の吐出端と、微粒化エアSA-INがベルカップ背面２２aに当たる衝突点Ｐ1との間の軸線方向距離は3.1mmである。この衝突点Ｐ1とベルカップの外周縁との間の軸線方向距離は5mmである。各微粒化エア孔３０から吐出される微粒化エアSA-INの衝突点Ｐ1は、ベルカップの背面２２a上の同一円周上に等間隔に設定されている。微粒化エア（シェーピングエアSA-IN）の捻り角度βは57°である。
パターンエア孔３２から吐出される第２シェーピングエアSA-OUTを「パターンエア」と呼ぶ。パターンエアSA-OUTはベルカップ２２の外周縁から7.5mm離れた地点Ｐ2に向けて指向されている。すなわち、パターンエアSA-OUTは、ベルカップ２２の外周縁を含む平面において、ベルカップ２２の外周縁から7.5mmの地点Ｐ2に差し向けられる。
パターンエア孔３２の吐出端と、ベルカップ２２の外周縁を含む平面上のパターンエアが到達する地点Ｐ2との間の軸線方向距離は12.4mmである。パターンエア孔３２から吐出されるパターンエアが到達する上記地点Ｐ2は、ベルカップ２２の外周縁を含む平面上の同一円周上に等間隔に設定されている。パターンエアSA-OUTの捻り角度は15°である。
微粒化エア孔３０のエア吐出端と、ベルカップ２２の外周縁を含む平面との間の軸線方向距離は8.1mmである。パターンエア孔３２のエア吐出端と、ベルカップ２２の外周縁を含む平面との間の軸線方向距離は12.4mmである。シェーピングエアリング２４の前面は段付き面で構成されている。すなわち、シェーピングエアリング２４の前面は、その内周側が前方に突出した形状を有する。前方に突出した内周部に微粒化エア孔３０が開口している。この前方に突出した内周部と、ベルカップ２２の外周縁を含む平面との間の軸線方向距離は8.1mmである。他方、相対的に後方に位置する外周部にパターンエア孔３２が開口している。この外周部と、ベルカップ２２の外周縁を含む平面との間の軸線方向距離は12.4mmである。
図１１に図示のベルカップ２２とシェーピングエアリング２４を備えた回転霧化型静電塗装機のデータを次の表１７に示す。
なお、塗装条件は次の通りであった。
(1)高電圧：-80kV
(2)塗料吐出量：600cc/min
(3)ベルカップ回転数：20,000rpm
(4)塗装スピード（ガン速度）：350mm/sec
(5)塗装距離（ガン距離）：200mm
実施例の回転霧化型静電塗装機２０の性能を確認するために次の試験を行った。
塗料吐出量が大量（600cc/min）であるときに、塗装パターン幅（パターンの直径）の制御の能力を試験したところ、下記の表１８及び図１３に示すとおり良好な結果を得ることができた。
なお、塗装条件は次の通りであった。
(1)高電圧：-80kV
(2)塗料吐出量：600cc/min
(3)ベルカップ回転数：20,000rpm
(4)塗装スピード（ガン速度）：350mm/sec
(5)塗装距離（ガン距離）：200mm
次に、塗料の最大吐出量を750cc/min〜300cc/minに設定したときに、塗装パターン幅を一定に保ったまま塗料吐出量を制御する能力を試験した結果を次の表１９に示す。
次に、塗料吐出量が相対的に少量（200cc/min）であるときに、塗装パターン幅（パターンの直径）の制御の能力を試験したところ、下記の表２０に示すとおり良好な結果を得ることができた。
図１４は、塗料吐出量（流量)を200cc/minに設定したときに、微粒化エア孔３０のエア吐出圧力(MPa)だけを変化させたときの塗装パターン幅の制御性を確認したときの図である。図１４の(1)は微粒化エア孔３０のエア吐出圧力が0.01MPaのときの噴霧状態を示す。図１４の(2)は微粒化エア孔３０のエア吐出圧力が0.03MPaのときの噴霧状態を示す。図１４の(3)は微粒化エア孔３０のエア吐出圧力が0.05MPaのときの噴霧状態を示す。図１４の(4)は微粒化エア孔３０のエア吐出圧力が0.07MPaのときの噴霧状態を示す。
図１５は、塗料吐出量（流量)を200cc/minに設定したときに、パターンエア孔３２のエア吐出圧力だけを変化させたときの塗装パターン幅の制御性を確認したときの図である。図１５の(1)はパターンエア孔３２のエア吐出圧力が0（ゼロ）MPaのときの噴霧状態を示す。図１５の(2)はパターンエア孔３２のエア吐出圧力が0.10MPaのときの噴霧状態を示す。図１５の(3)はパターンエア孔３２のエア吐出圧力が0.15MPaのときの噴霧状態を示す。
図１４と図１５とを対比すると良く理解できるように、微粒化エア孔３０から吐出される微粒化エアSA-INは塗装パターン幅の制御に対する役割が希薄である。この塗装パターン幅の制御には、パターンエア孔３２から吐出されるパターンエアSA-OUTが大きく貢献している。
次に、塗料の小吐出量（小流量)（150cc/min〜250cc/min）において、塗装パターン幅を一定に保ったまま塗料吐出量を制御する能力を試験した結果を次の表２１に示す。
図１６は、塗料吐出量（流量)を600cc/minと200cc/minとに大きく変化させると共に塗装パターン幅を変化させたときの図である。図１６(1)の塗装条件は次の通りであった。
(i)塗料吐出量（流量)：600cc/min；
(ii)ベルカップ２２の回転数：20,000rpm；
(iii)微粒化エア孔３０の吐出圧：0.12MPa(流量375NL/min)；
(iv)パターンエア孔３２の吐出圧：0.01MPa(流量150NL/min)。
図１６(1)の塗料吐出量600cc/minのときの塗装パターン幅（パターン直径）は470mmであった。また、塗料粒子の平均粒径は19.9μmであった。
図１６(2)の塗装条件は次の通りであった。
(i)塗料吐出量（流量)：200cc/min；
(ii)ベルカップ２２の回転数：20,000rpm；
(iii)微粒化エア孔３０の吐出圧：0.05MPa(流量225NL/min)；
(iv)パターンエア孔３２の吐出圧：0.15MPa(流量575NL/min)。
図１６(2)の塗料吐出量200cc/minのときの塗装パターン幅（パターン直径）は220mmであった。また、塗料粒子の平均粒径は16.6μmであった。
図１７は、実施例の塗装機２０を使って塗装したときの塗膜の膜厚分布を示す（最大膜厚40μm）。塗装条件は、次の通りである。
(i)塗料の吐出量（流量)：200cc/min；
(ii)ベルカップ２２の回転数：20,000rpm；
(iii)微粒化エア孔３０の吐出圧：0.01MPa(流量110NL/min)；
(iv)パターンエア孔３２の吐出圧：0.15MPa(流量575NL/min)；
(v)ベルカップ２２に対する印加電圧：-80kV。
図１７を参照して、膜厚20μm以上の範囲(d)は直径200mmである。膜厚10μm以上の範囲(d’)は直径330mmであった。裾野拡大率（d’/d）＝330/200＝1.6である。この数値「1.6」は従来との対比で極めて良好な数値である。ちなみに、従来の塗装機であれば、一般的に、裾野拡大率（d’/d）＝3.2である。
２０ 実施例の回転霧化型静電塗装機
１０、２２ ベルカップ
１０a、２２a ベルカップ背面
２４ シェーピングエアリング
３０ 第１エア吐出孔（微粒化エア孔）
３２ 第２エア吐出孔（パターンエア孔）
SA-IN シェーピングエア（微粒化エア）
SA-OUT パターンエア
Ｐ シェーピングエアSA-INがベルカップ背面に当たる点

Claims (17)

  1. 塗料の最大吐出量が1000cc/min〜300cc/minである回転霧化型静電塗装機であって、
    微粒化エアが当たる背面の角度が90°以下のベルカップと、
    該ベルカップ背面に向けて差し向けられる前記微粒化エアを吐出する第１エア孔と、
    該第１エア孔よりも外周側に配置された第２エア孔であって、該第２エア孔から吐出されるパターンエアを前記ベルカップの外周縁より径方向外方を通過させる第２エア孔とを有し、
    該第１エア孔が前記ベルカップの回転軸線を中心にした円周上に等間隔に配置され、
    該第１エア孔が前記ベルカップの回転方向とは逆方向に指向され、
    該第１エア孔から吐出される前記微粒化エアが前記ベルカップの回転方向とは逆方向に50°以上60°未満の角度に捻られていることを特徴とする回転霧化型静電塗装機。
  2. 前記微粒化エアの捻り角度が56°〜59°である、請求項１に記載の回転霧化型静電塗装機。
  3. 前記微粒化エアの捻り角度が56°〜58°である、請求項１に記載の回転霧化型静電塗装機。
  4. 前記第１エア孔から出た前記微粒化エアが前記ベルカップの背面に到達するエア到達距離が26.7mmと等しいかこれよりも小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  5. 前記第１エア孔から出た前記微粒化エアが前記ベルカップの背面に到達するエア到達距離が30mm〜1mmである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  6. 前記第１エア孔から出た前記微粒化エアが前記ベルカップの背面に到達するエア到達距離が15mm〜1mmである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  7. 前記第１エア孔から出た前記微粒化エアが前記ベルカップの背面に到達するエア到達距離が10mm〜1mmである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  8. 前記第１エア孔から吐出される前記微粒化エアの吐出圧が、0.03〜0.2Mpaである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  9. 前記第１エア孔から吐出される前記微粒化エアの吐出圧が、0.03〜0.15Mpaである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  10. 前記微粒化エアの吐出量が180〜435NL/minである、請求項８又は９に記載の回転霧化型静電塗装機。
  11. 前記パターンエアが前記ベルカップの回転方向とは逆方向に捻られている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  12. 前記第１エア孔の直径が、前記第２エア孔の直径よりも小さい、請求項１１に記載の回転霧化型静電塗装機。
  13. 前記第１エア孔の数が、前記第２エア孔の数よりも多い、請求項１１又は１２に記載の回転霧化型静電塗装機。
  14. 前記第１エア孔の数が、前記第２エア孔の数の２倍以上である、請求項１３に記載の回転霧化型静電塗装機。
  15. 前記回転霧化型静電塗装機を側方から見たときに、前記第１エア孔が前記ベルカップに接近した位置に位置決めされ、前記第２エア孔が前記ベルカップから遠ざかる位置に位置決めされている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  16. 前記ベルカップの回転数が25,000〜15,000rpmである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機。
  17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の回転霧化型静電塗装機に適用されるシェーピングエアリングであって、
    前記第１エア孔と前記第２エア孔とを備えていることを特徴とするシェーピングエアリング。
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