JP7436161B2 - 流体チップ - Google Patents

Description

本発明は、塗料スプレーガンに関する。より具体的には、本発明は、塗料スプレーガンから霧化空気及び霧化塗料を放出するための流体チップに関する。

塗料スプレーガンは、車体パネルなどの材料に塗料を塗布するのにしばしば使用される。塗料スプレーガンは通常、液体塗料を材料に塗布する前に、液体塗料を小さな粒子（すなわち、スプレー）に分解するために霧化と呼ばれるプロセスを使用する。霧化は、塗料噴流と「霧化」空気噴流を混合することで実現する。これらの噴流間の混合により、液体塗料が霧化する。

既存の塗料スプレーガンは、空気キャップと塗料ノズルとを含む流体チップを含む。空気キャップは、塗料ノズルの近位にある空気キャップ出口から霧化空気の噴流を提供し、それにより、塗料の霧化に必要な噴流間の混合を可能にする。霧化空気の噴流を提供するために、高圧空気源がしばしば使用される。

吸引供給スプレーガンは、高圧源から供給される霧化空気の噴流を使用して塗料ノズルから塗料を吸引することにより、塗料流体をノズルから「吸い込む」。スプレーガンの効率は、高圧霧化空気噴流の生成に使用されるエネルギーと、生成される塗料噴流の品質を比較することで測定することができる。スプレーガンの効率を改善することが望ましい。

強力な霧化空気噴流は、より細かい塗料スプレーを生成するより細かい霧化を提供する。しかしながら、霧化空気噴流の強度を増すと、望ましくない高周波ヒスノイズの量が増え、空気消費量が増え、作業コストが高くなる。

本発明の第１の態様によれば、塗料スプレーガンで使用する流体チップが提供される。流体チップは、空気キャップと塗料ノズルとを含む。空気キャップは内面を含み、塗料ノズルは外面を含む。内面と外面は、空気流路の側面を画定する。内面及び外面は輪郭によって画定され、各輪郭は、塗料ノズルの塗料ノズル出口の近くで空気噴流を放出するための空気流路出口を形成するように終端する。輪郭は、空気流路を通る空気流の空気流路出口を横切る速度プロファイルであって、半径方向において塗料ノズル出口に近い空気の速度が半径方向において塗料ノズル出口から遠い速度よりも実質的に高い速度プロファイルを提供するように構成されている。

空気流路を通る空気流の速度プロファイルの調整により、半径方向において塗料ノズルに最も近い位置で空気出口から放出される空気（すなわち、空気噴流）の速度が増大する。これにより、塗料ノズルの中心の前で空気噴流と塗料噴流との混合によって生成される渦輪の弱化及び変位が起こり、それにより乱流が減少する。これらの流動効果には、いくつかの利点がある。

第一に、塗料噴流の不安定性が軽減され、それにより塗料ノズル出口での塗料噴流の振動が低減される。このような振動は「フラッピング」として知られている。塗料噴流のフラッピングにより、流体チップによって生成される噴射円錐（スプレーコーン）の端に向かって、より重い／より大きいサイズの液滴が移動する。この現象は、端に重い塗料の堆積を有しかつ中央に薄い塗料密度を有する、望ましくないスプレーパターンにつながる。放出された塗料流の不安定性の減少により、より均一なスプレーパターンが得られる。

第二に、振動の減少は、スプレーガンの動作中に生じる騒音の減少につながる。

第三に、調整された速度プロファイルにより、霧化空気により広い流路及び／又はより低い動作圧力を使用することができる。より広い霧化空気噴流は、より低い動作空気圧での塗料噴流のより細かい霧化を提供する。速度プロファイルを調整しないと、（霧化空気噴流の所定の質量流量に対する）より広い流路及び／又はより低下した動作圧力により、霧化空気噴流によって提供される塗料流体への吸引力が減少し、霧化の細かさが減少する。調整された速度プロファイルは、このような減少を補う。

任意選択で、内面は凸状の輪郭によって画定され、外面は凹状の輪郭によって画定される。

任意選択で、内面と外面を画定する輪郭は曲面状である。

任意選択で、輪郭は、空気出口を横切る空気の速度プロファイルであって、半径方向において塗料ノズルの最も近くに最大速度を有する放物線状の分布に従う速度プロファイルを提供するように構成されている。

任意選択で、塗料ノズル出口と空気出口との分離距離が、塗料ノズル出口を通って流れる塗料の所定の粘度に基づいている。分離距離は、塗料ノズル出口を通って流れる塗料の表面張力、密度、及び動粘度のうちの１つ以上にさらに基づいていることができる。

塗料ノズル出口と空気出口との間の距離の減少は、放出された塗料流の渦輪のサイズを減少させ、それにより乱流によって引き起こされるノイズの減少に役立つ。分離が減少すると、霧化空気流によってもたらされる吸引力が減少する。しかしながら、減少した吸引力は、空気流の調整された速度プロファイルが塗料流の近くの放出された空気噴流の領域に増加した速度を提供することによって補われる。

空気出口における空気流路の幅の増加は、空気出口を横切る空気の望ましい速度プロファイルの生成を支援する。

任意選択で、空気流路及び／又は空気出口は塗料ノズルを囲んでいる。

任意選択で、空気流路及び／又は空気出口は塗料ノズルの周りで環状である。

任意選択で、空気通路の側面間の流路幅が空気出口に向かって減少する。

任意選択で、空気出口は、塗料ノズル出口から放出される塗料と同じ方向に空気を放出するように構成されている。

任意選択で、流体チップは、空気キャップの外面から突出する１つ以上の角状部をさらに含み、１つ以上の角状部のそれぞれが塗料ノズル出口の下流の霧化領域に向かって補助空気噴流を放出するように構成されている補助空気通路を含む。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による流体チップを含むスプレーガンが提供される。

既存の流体チップから放出される塗料噴流及び空気噴流の流れの視覚化を含む、既存の流体チップの断面図を示す。 流体チップから放出される塗料噴流及び空気噴流の流れの視覚化を含む、本発明による流体チップの断面図を示す。 空気出口における空気流の速度プロファイルの表示を含む、図１の流体チップの断面図を示す。 空気出口における空気流の速度プロファイルの表示を含む、図２の流体チップの断面図を示す。 本発明による塗料ノズルを示す。 本発明による塗料ノズル及び空気キャップを含む流体チップの断面図を示す。

図１を参照すると、既存の流体チップ１００は、塗料ノズル１０２を実質的に囲む空気キャップ１０１を含む。空気キャップ内面１０６及び塗料ノズル外面１０８は、空気流路１０３を形成する。使用中、空気は空気流路１０３を通って流れ、空気流路出口１０７で放出されて空気噴流を提供する。塗料は塗料ノズル１０２を通って流れ、塗料ノズル出口１０４で放出されて塗料噴流を提供する。塗料ノズル１０２及び空気流路１０３は、中心軸１０９の周りに配置されている。空気流路出口１０７は、塗料ノズル出口１０４の周りで環状である。動作中、放出された空気噴流は放出された塗料噴流を囲んでいる。結果として生じるこれらの噴流間の混合が、塗料の霧化（すなわち、塗料の噴霧）を生じる。

図１の流れの視覚化から、空気噴流と塗料噴流との混合により渦輪１０５が生成されることがわかる。本発明者は、これらの渦輪１０５が、空気噴流と塗料噴流との混合に関連するノイズ生成乱流の主な形態であることを見つけ出した。

図２は、本開示による流体チップを示す。空気キャップ２０１が、塗料ノズル２０２を実質的に囲んでいる。空気キャップ２０１及び塗料ノズル２０２は、中心軸２０９を中心に回転し、それにより環状の空気流路出口２０７を形成する。塗料ノズル２０２の外面２０８及び空気キャップ２０１の内面２０６は、空気流路２０３の側面を形成する。使用中、空気は、空気流路出口２０７で空気流路２０３から放出される。塗料は、塗料ノズル出口２０４で塗料ノズル２０２から放出される。塗料ノズルは、空気流路出口２０７から塗料ノズル出口２０４までの距離によって定められる塗料ノズルの厚さ２０２ａを有する。塗料ノズルの厚さは、塗料ノズル出口と空気出口との分離距離と呼ばれることがある。空気キャップ内面２０６及び塗料ノズル外面２０８は、輪郭によって画定される。言い換えれば、空気流路２０３の側面は輪郭によって画定される。輪郭は、塗料ノズル出口２０４に最も近い空気流路出口２０７の縁（又はその近く）で放出される空気の速度を増加させることによって空気流路を流れる空気の速度プロファイルを調整するように構成されている。言い換えれば、図２の流れの視覚化によって示されるように、塗料ノズル出口２０４の近くに高速空気２１０の領域が増加している。空気流の速度プロファイルにおけるこの調整は、少なくとも部分的に、空気流路出口２０７の上流の空気流路２０３の形状によってもたらされる。特に、図示の実施形態では、内面２０６は、曲面状の凸状輪郭によって画定されている。外面２０８は、曲面状の凸状輪郭によって画定される。

塗料ノズルの厚さ２０２ａは、図１ａに示す流体チップの厚さに比べて薄くなっている。塗料ノズルの厚さは、塗料ノズル出口を通って流れる塗料の粘度によって決まる。塗料がゼロ又は最小の粘度を有する場合、最適な塗料ノズルの厚さは、以下の式で決定することができる。
Ｔ＝４．４４×ｄ
ここで、Ｔは塗料ノズルの厚さであり、ｄは塗料ノズル出口の内径２０２ｂである。塗料が高い粘度を有する場合、又は粘性液体と見なされる場合、塗料ノズルの厚さは、塗料の表面張力、密度、及び動粘度のうちの１つ以上に基づく。

減少した塗料ノズルの厚さ２０２ａにより、空気出口２０７からの放出空気噴流が塗料出口２０４からの放出塗料に近くなる。これにより、噴流間の混合により生成される渦輪２０５の弱化が起こる。渦輪２０７はまた、中心線２０９に向かって変位する。この効果は、上述の実施形態の渦輪２０５の流れの視覚化を図１に示される渦輪１０５と比較することにより観察することができる。渦輪２０５の弱化及び変位は、図１の流体チップで観察されるものと比較して、図２の流体チップによるノイズ生成乱流のレベルを低下させる。

減少した塗料ノズルの厚さ２０５の使用により、より幅が広い空気流路２０３を利用することが可能になる。発明者は、より幅が広い空気流路２０３を提供すること（すなわち、内面２０６と外面２０８との間の距離を増加させること）により、空気噴流及び／又は塗料噴流により低い動作圧力を使用しながら、塗料スプレーガンの高品質の性能を可能にすることを見つけ出した。より幅が広い空気流路２０３から放出されるより幅が広い空気噴流は、より低い動作圧力で塗料流のより細かい霧化を提供する。

本開示の実施形態は、空気噴流が塗料出口２０４を通して塗料を引き込むための吸引力を提供する、吸引供給スプレーガンに適用することができる。上述の渦輪２０５の減少及び変位は、提供される吸引量を減少させる。しかしながら、塗料出口２０４の近くに高速空気２１０の領域を設けることにより、渦輪２０５の減少により減少する吸引力を相殺する吸引力の増加がもたらされる。

また、図２の流体チップ２００によってもたらされる空気噴流と塗料噴流との混合から生じる霧化された塗料噴流は、渦２０５の減少及び変位により出口の下流でより安定していることが観察される。言い換えると、液体（塗料）コアの安定性が向上している。したがって、霧化された塗料噴流の望ましくない「フラッピング」が少なくなる。「フラッピング」は、塗料噴流と空気噴流との混合から生じる塗料スプレーパターンの品質を低下させる。

図３は、空気流路出口１０７における空気流の速度プロファイル３００の表示を含む図１の流体チップを示す。矢印３０１は、空気流路１０３を通る空気流の方向を示す。速度プロファイル３００は、空気キャップ内面１０６と塗料ノズル外面１０８とのほぼ中間にある空気流の中心領域に最大速度を有する放物線状の分布に従う。

図４は、空気流路出口２０７における空気流の速度プロファイル４００の表示を含む図２の流体チップを示す。矢印４０１は、空気流路２０３を通る空気流の方向を示す。空気流路２０３を形成する空気キャップ内面２０６及び塗料ノズル外面２０８は、曲面状の形状を有する。詳細には、空気キャップ内面２０６は凸状の輪郭を有し、塗料ノズル外面２０８は凹状の輪郭を有する。内面及び外面の形状により、空気出口２０７における速度プロファイル４００がもたらされる。速度プロファイル４００は、塗料ノズル外面２０８の近くに（すなわち、塗料噴流の近くに）最大速度を有する。

図５を参照すると、塗料出口５０３を有する塗料ノズル５００がある。空気孔５０１が、塗料ノズル外面５０２の周りに配置されている。塗料ノズル外面５０２は、塗料出口５０３の中心線を中心に回転する凹状かつ曲面状の形状を有する。図示の実施例において、塗料ノズル外面５０２は釣り鐘型の表面を有する。使用中、空気孔５０１を通して高圧空気が噴射される。噴射された空気は、一方の側が塗料ノズル外面５０２によって境界され、他方の側が空気キャップ内面（図示せず）によって境界されている、空気流路（図示せず）を通過する。塗料ノズル外面５０２及び空気キャップ内面（図示せず）の形状により、塗料出口５０３を囲む空気出口（図示せず）から出る空気噴流は、塗料出口の近くに最高速度を有する速度プロファイルを有する。５０３。一般に、図５の塗料ノズルに取り付けるために、様々なタイプの空気キャップが提供される。空気キャップ（図示せず）が塗料ノズル５００に取り付けられると、空気流路（図示せず）が形成される。

図６を参照すると、図５の塗料ノズル５００に取り付けられた空気キャップ６００の断面図がある。空気キャップ６００は、塗料ノズル外面５０１に対向する空気キャップ内面６０１を含む。空気キャップ内面６００及び塗料ノズル外面５０１は、塗料ノズル出口５０３を囲む空気出口６０２を有する空気流路の境界となる。空気孔５０１は、空気流路に空気を供給する。空気キャップ内面６０１は、曲面状の凹形状よって画定され、塗料ノズル外面５０１は、曲面状の凸形状によって画定される。これらの形状は、塗料出口に近い場所に最大速度を有する空気出口６０２における空気の速度プロファイルを提供する。

空気キャップ６００は、２つの角状部６０３をさらに含む。各角状部６０３は、空気出口６０２及び塗料ノズル出口５０３の下流に補助空気噴流を放出するための補助空気通路６０４を含む。補助空気噴流は、出口６０２、５０３によって生成された塗料スプレーを絞り、空気噴流と塗料噴流との混合によって生成される塗料スプレーをさらに制御する。

Claims (10)

1. 塗料スプレーガンで使用する流体チップであって、
   空気キャップと塗料ノズルとを含み、
   前記空気キャップは内面を含み、前記塗料ノズルは外面を含み、
   前記内面及び前記外面は空気流路の側面を画定し、
   前記内面は凸状の曲面状輪郭によって画定され、前記外面は凹状の曲面状輪郭によって画定され、各曲面状輪郭は、前記塗料ノズルの中心軸に対して半径方向から軸方向に向かって向きを変え、前記塗料ノズルの塗料ノズル出口の近くで空気噴流を放出するための空気流路出口を形成するように終端し、
   前記輪郭はそれによって、前記空気流路を通る空気流の前記空気流路出口を横切る速度プロファイルであって、半径方向において前記塗料ノズル出口に近い空気の速度が半径方向において塗料ノズル出口から遠い空気の速度よりも高い速度プロファイルを提供するように構成されている、流体チップ。
2. 前記輪郭は、前記空気流路出口における空気の速度プロファイルが半径方向において前記塗料ノズルの最も近くに最大速度を有する放物線状の分布に従うように構成されている、請求項１に記載の流体チップ。
3. 前記塗料ノズル出口と前記空気流路出口との分離距離が、前記塗料ノズル出口を通って流れる塗料の所定の粘度に基づいている、請求項１又は２に記載の流体チップ。
4. 前記分離距離は、前記塗料ノズル出口を通って流れる塗料の表面張力、密度、及び動粘度のうちの１つ以上に基づいている、請求項３に記載の流体チップ。
5. 前記空気流路及び／又は前記空気流路出口は前記塗料ノズルを囲んでいる、請求項１から４のいずれか一項に記載の流体チップ。
6. 前記空気流路及び／又は前記空気流路出口は、前記塗料ノズルの周りで環状である、請求項１から５のいずれか一項に記載の流体チップ。
7. 前記空気流路の側面間の流路幅が前記空気流路出口に向かって減少する、請求項１から６のいずれか一項に記載の流体チップ。
8. 前記空気流路出口は、前記塗料ノズル出口から放出される塗料と同じ方向に空気を放出するように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の流体チップ。
9. 前記空気キャップの外面から突出する１つ以上の角状部をさらに含み、前記１つ以上の角状部のそれぞれが前記塗料ノズル出口の下流の霧化領域に向かって補助空気流を放出するように構成されている補助空気通路を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の流体チップ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の流体チップを含む塗料スプレーガン。

Images