WO2013178327A1 - Verfahren zum betreiben eines rotationszerstäubers, düsenkopf und rotationszerstäuber mit einem solchen - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines rotationszerstäubers, düsenkopf und rotationszerstäuber mit einem solchen Download PDF

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WO2013178327A1
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coating material
bell plate
guide body
bell
nozzle head
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PCT/EP2013/001451
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Ralph Meier
Claus LANG-KOETZ
Jan Reichler
Thomas KALMBACH
Manuel LIEBING
Markus Hauber
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Eisenmann Ag
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    • B05B7/0807—Spray pistols; Apparatus for discharge with separate outlet orifices, e.g. to form parallel jets, i.e. the axis of the jets being parallel, to form intersecting jets, i.e. the axis of the jets converging but not necessarily intersecting at a point to form intersecting jets
    • B05B7/0815—Spray pistols; Apparatus for discharge with separate outlet orifices, e.g. to form parallel jets, i.e. the axis of the jets being parallel, to form intersecting jets, i.e. the axis of the jets converging but not necessarily intersecting at a point to form intersecting jets with at least one gas jet intersecting a jet constituted by a liquid or a mixture containing a liquid for controlling the shape of the latter

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a rotary atomizer, with which a coating material is applied to an article in which a bell cup is rotated about an axis of rotation and coating material is supplied to an outflow surface of the bell cup such that coating material is thrown off the bell cup.
  • the invention relates to a nozzle head for a rotary atomizer for applying a coating material to an object with a rotatable about a rotation axis bell cup having an outflow surface, which coating material can be supplied such that coating material is thrown from the bell cup;
  • the invention relates to a rotary atomizer for applying a coating material to an article with a nozzle head.
  • Rotary atomizers equipped with a nozzle head of the type mentioned are used, for example, in the automotive industry to paint or coat articles such as parts of vehicle bodies with a protective material.
  • the bell-shaped plate thereby serves to atomize the coating material, to which it rotates during operation with very high speeds of 10,000 to 100,000 min -1 U ge about its rotational axis ⁇ is.
  • the rotating bell cup is the selected Beschich fed material. Due to centrifugal forces, which act on the coating material, it is driven on the bell cup as a film to the outside, until it reaches a radially outer spoiler lip of the bell cup. There, such high centrifugal forces act on the coating material that it is thrown tangentially in the form of fine coating material droplets.
  • the size of the droplets is relatively uniform and that extends to the size bezo ⁇ gene droplet spectrum only over a small area as possible.
  • the droplets should be as small as possible, since with smaller droplets a more homogeneous coating result is achieved.
  • a measure of the droplet size distribution and thus of the droplet spectrum of the spray jet is, for example, the so-called span value, as described, inter alia, in Mescher et al., Gravity affected break-up of laminar threads at low gas relative velocities, Chem. Eng , Sci., Volume 69, Issue 1, February 13, 2012, pages 181-192.
  • the bell cup is usually operated at high speeds, which is associated with a correspondingly high energy consumption.
  • the radial spread of the spray jet at higher speeds of the bell cup is again greater than at lower speeds, so that measures must be taken to focus this spray on the objects to be coated.
  • known rotary atomizers work electrostatically, for example. In this case, the coating material to be applied is charged, whereas the object to be coated is earthed. In this case, an electric field is formed between the rotary atomizer and the object, through which the charged coating material is applied to the object in a directionally directed manner. This func ⁇ ned but only when electrically leit-enabled objects.
  • This object is achieved in the method of the type mentioned in that a working fluid is blown by means of a dispenser at least temporarily as transonic or supersonic flow on coming from the bell cup coating material.
  • coating material coming from the bell cup also includes coating material which has already detached itself from the bell cup and has been thrown away by it, as well as coating material which still adheres to the bell cup.
  • the latter may comprise coating material which is about to come off the trailing edge of the bell cup.
  • jets or lamellae form on the trailing edge, from which the droplets then form.
  • a transonic flow is to be understood as meaning a flow having a Mach number Ma of 0.8 to 1.2. Such flow is also called the Sound Velocity ⁇ keitsnahe flow.
  • a supersonic flow has a Mach number Ma of more than 1.2.
  • the working fluid toward a trailing torn edge of the bell cup and again preferably be solved in from a trailing edge of the bell cup Beschich ⁇ tung material is blown; the latter is in the form of spoken up at ⁇ rays or lamellae.
  • Beschich ⁇ tung material is blown; the latter is in the form of spoken up at ⁇ rays or lamellae.
  • the working fluid as an imprinted disturbance influences the instability of the rays or lamellae and thus the formation of droplets in the formation process.
  • This imprinted disturbance leads to increased formation of smaller droplets with a moderate droplet spectrum.
  • the paint mist is effectively focused even at lower speeds of the bell cup on the object to be painted.
  • a delivery device is provided by means of which a working fluid can be blown at least temporarily as a transonic or supersonic flow onto coating material coming from the bell cup.
  • the delivery device is preferably set up such that the working fluid is blown in the direction of a tear-off edge of the bell plate.
  • the dispensing device is directed in such a way that the working fluid is blown onto itself dissolving from a tear-off edge of the bell cup coating material.
  • the delivery means comprises a Lavaldüsenech with a dispensing ring gap or several discharge openings
  • un ⁇ ter effectively the generation of a transonic or supersonic flow.
  • the passage cross-section for a working fluid flowing through initially narrows and then widens again in the direction of an outlet opening.
  • the working fluid flowing through can be greatly accelerated without the need for further measures. This is already described in the German patent application with the file number 10 2010 053 134.0.
  • the generation of the transonic or supersonic flow can additionally be assisted by a fluid source, from which the Laval nozzle unit, the working fluid can be supplied under pressure. As a result, the working fluid already flows at high speed to the Laval nozzle unit, where it is then further accelerated.
  • the outer circumferential surface of the bell cup is surrounded by an inner circumferential surface of a guide body, which forms a Laval ring nozzle with the outer lateral surface of the bell cup.
  • the outer surface of the bell cup can be used as the flow surface of the Laval ring nozzle.
  • Laval ring nozzle is intended in the present case to describe an annular nozzle with an annular discharge gap instead of a conventional axial nozzle opening.
  • annular channel is present, whereby between ⁇ the inner circumferential surface of the guide body and the outer ⁇ mantle surface of the bell cup also an annular gap ⁇ is formed, which dictates the narrowest point of the annular channel.
  • the bell cup may be surrounded by a first, inner baffle and the inner baffle may be surrounded by a second, outer baffle, and an outer skirt surface of the inner baffle may form a Laval ring nozzle with an inner skirt surface of the outer baffle.
  • annular channel is present between the inner guide body and the outer guide body, wherein an annular gap is formed between an outer lateral surface of the inner guide body and an inner lateral surface of the outer guide body, which predetermines the narrowest point of the annular channel.
  • the lavalring body is thus formed from a plurality of individual laval nozzles, which are arranged along a circular path.
  • Ringka ⁇ nal vanes are arranged, which are arranged so that upon rotation of the bell cup and / or Leit ⁇ body working fluid, which is in the annular channel gefin ⁇ det, to the dispensing annular gap or, if present, to the multiple Laval nozzle orifices of the Laval nozzle unit.
  • the acceleration of the working fluid can be supported alternatively or additionally.
  • the transonic or supersonic flow may receive an azimuthal velocity component, thereby affecting the relative velocity of the transonic or supersonic flow to the velocity of the coating plate sloughing off the bell cup.
  • FIG. 1 shows an axial section of a nozzle head of a rotary atomizer with a discharge air for working air according to a first embodiment, by means of which a transonic or supersonic flow can be generated;
  • FIGS. 2A and 2B variants of a twisting device of the nozzle head
  • FIG. 3 shows an axial section of a modified nozzle head with a discharge device for working air according to a second embodiment
  • Figure 4 shows an axial section of a further modified nozzle head with a dispensing device for working ⁇ air according to a third embodiment.
  • 2 is a total of one rotary atomizer. draws, of which only a head portion 4 with a nozzle head 6 is shown. By means of the rotary atomizer 2 paint can be applied to a not specifically shown item.
  • the nozzle head 6 comprises a rotationally symmetrical bell cup 8.
  • This is formed in the presently described embodiment in total as a hollow truncated cone 10 with a circumferential wall 12 and has a frusto-conical inner surface 14 and a frusto-conical outer surface 16.
  • the bell cup 8 may also have deviating geometries, as they are known per se in bell plates from the prior art.
  • the bell cup 8 is rotatable at high speed about an axis of rotation 18, to which the rotary atomizer 2 comprises a drive device 20, which is illustrated in the figures le ⁇ diglich schematically.
  • the bell cup 8 can be driven, for example by means of an electric motor or pneuma ⁇ table.
  • the bell cup 8 rotates in operation at speeds of 10,000 to 100,000 min -1 about its axis of rotation 18th
  • the bell-shaped plate 8 is supported by the free end of a coaxial to Glo ⁇ ckenteller 8 hollow shaft 22 which is coupled to the drive means 20 and a Lackzu semiconductorkanal 24 limits in the longitudinal Rich ⁇ tung, which can be fed from a not shown paint reservoir.
  • the hollow shaft 22 terminates in a perpendicular to the axis of rotation 18 extending mounting flange 26, via which it is connected to the bell cup 8.
  • the bell cup 8 comprises a ring plate 28 which is complementary to the fastening flange 26 of the hollow shaft 22 and has a central discharge opening. tion 30, in which the Lackzu semiconductorkanal 24 opens in the hollow shaft 22.
  • the bell cup 8 further comprises, in a manner known per se, a baffle plate 32, which is supported by the ring plate 28.
  • the baffle plate 32 extends perpendicular to the axis of rotation 18 of the bell cup 8 and is arranged at a small distance from the annular plate 28 in the interior of the bell cup 8.
  • the baffle plate 32 extends radia outwards until just before the inner circumferential surface 14 of the bell cup 8, which serves as a frustoconical outflow surface 34.
  • the outer diameter of this outflow surface 34 increases accordingly in the direction of the hollow shaft 22 away.
  • the outflow surface 34 terminates in a peripheral tear-off edge 36.
  • the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8 is surrounded by a conical inner surface 38 of a guide sleeve 40 formed as a guide body, which is arranged coaxially with the bell plate 8.
  • the guide sleeve 40 has a free end edge 42, which is arranged radially adjacent to the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8, so that there is a dispensing annular gap 44 is formed.
  • the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40 in ümfangs- direction an annular and toward the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8 to arched elevation 46 which is supported by the cone wall 48 of the guide sleeve 40
  • Cone wall 48 of the guide sleeve 40 then opens into a hollow cylinder carrier 50 with a constant cross section, which surrounds the hollow shaft 22 and serves to fix the guide sleeve 40 on the rotary atomizer 2.
  • the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40 is opposite to Rotation axis 18 at an angle ⁇ inclined. This angle ⁇ is thus the cone angle for the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40, the outer circumferential surface may also have a different than conical shape.
  • the guide sleeve 40 is mounted stationary relative to the rotatable bell plate 8 with respect to a rotation. In a modification, however, the guide sleeve 40 can be rotated by means of a drive not shown here about the rotation axis 18.
  • the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8 has, in the circumferential direction, an annular elevation 52, which lies opposite the elevation 46 of the guide sleeve 40 and is curved toward it, an annular gap 54 remaining between the elevations 46 and 52.
  • annular channel 56 is formed between the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8 and the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40, whose narrowest point is predetermined by the annular gap 54.
  • the angle ⁇ of the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40 is as large as the cone angle of the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8, so that its outer circumferential surface 16 and the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40 parallel to each other and the annular channel 56 apart from the annular gap 54 a has constant cross-section.
  • the cone angle of the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8 and the cone angle ⁇ of the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40 may be different from each other, so that the annular channel 56 tapers or widens in the direction of the discharge gap 44. This willlichgan ⁇ gen below again.
  • the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40 with the survey 46 forms in this way with the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8 with the elevation 52 a Laval nozzle unit in the form of a Laval ring nozzle 58, which comprises the dispensing annular gap 44, from which a working fluid is blown onto the detaching from the bell cup 8 coating material.
  • the inner circumferential surface 38 of the guide sleeve 40 with the elevation 46 is a first flow area and the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8 with the elevation 52, a second flow area of the Laval ring nozzle 58, which are opposite.
  • working air is used in the present embodiment, which is hereinafter referred to as working air.
  • working air instead of air, however, other gases can be used as working fluid.
  • the ring channel 56 and in this way the Laval ring nozzle 58 for this purpose in a conventional manner compressed air from a fluid source in the form of a compressed air source 60 supplied under pressure, which is illustrated only very schematically in the figures.
  • the compressed air source 60 may be formed, for example, as a compressor.
  • the working air can be supplied to the annular channel 56 with or without twist.
  • a swirl device 62 is present.
  • this may comprise a feed nozzle 64 on the hollow cylinder carrier 50, via which the working air flows tangentially or dividingly tangentially into the annular channel 56, as illustrated in FIGS. 2A and 2B. There, in each case a section transverse to the axis of rotation 18 is shown. The resulting swirl of the working air is determined by the angle of attack of the tangential or partial tangential feed.
  • the working air from the compressed air source 60 can also flow via a guide into the annular channel 56, which comprises, for example Lucasleitnuten or air vanes, as it is known, for example in hollow cone nozzles in and of itself.
  • the annular channel 56 comprises, for example shipsleitnuten or air vanes, as it is known, for example in hollow cone nozzles in and of itself.
  • correspondingly obliquely guided supply bores in the hollow cylinder carrier 50 can ensure a swirl of the working air in the annular channel 56.
  • the inflow angle of the working air in the annular channel 56 depends on the structural conditions and can be specified accordingly.
  • the hollow shaft 22 carries circumferentially uniformly distributed guide vanes 68 on its outer circumferential surface 66. These have such a geometry and are arranged such that that working air is conveyed toward the discharge annulus 44 when the Glo ⁇ ckenteller 8 rotates during operation of the rotary atomizer. 2
  • the vanes 68 may assist an existing swirl of the working air or create a twist. Overall, the effect of the guide vanes 68 in and of itself known depends on the geometry and angle of attack.
  • the compressed air source 60 If a sufficiently high flow rate of the working air can be achieved by the compressed air source 60, it is also possible to dispense with the guide vanes 68. On the other hand, the necessary overpressure of the working air from the compressed air source 60 can be smaller if the Leitschau ⁇ feln 68 the propulsion of Arb'eits Kunststoff to the discharge gap 44 un ⁇ sup port, which in turn the energy required for the operation of the compressed air source 60 can be lowered.
  • the outer lateral surface 66 of the hollow shaft 22 also serves as an air guide surface and in the present exemplary embodiment has a cylindrical region 66a next to the hollow cylinder carrier 50 and a conical region 66b adjacent to the guide sleeve 40 so that the outer lateral surface 62 of the hollow shaft 22 is substantially parallel to the inner lateral surface 38 of the guide sleeve 40 runs.
  • a dispenser 70 is provided through which a working fluid at least temporarily as a transonic or supersonic flow on the can be blown from the bell cup 8 detaching coating material.
  • the speed with which the working air via the discharge ring gap is discharged 44, and the effect of the Ar ⁇ beits slaughter on droplet formation, the paths are thrown from the bell ⁇ plate 8 depend on the interaction ⁇ play of the involved components of the dispensing device 70 from , For example, the discharge pressure of the
  • the working air can also be blown by the delivery device 70 as supersonic flow onto the coating material detaching from the bell cup 8.
  • the transonic or supersonic flow acts as such said imprinted disturbance with respect to the coating material.
  • the working air is guided through the Laval annular nozzle 58 in the direction of the spoiler lip 36 of the bell cup 8, which is illustrated by an arrow A, which is shown in Figure 1 only on the left and the main flow of transonic or supersonic flow to show.
  • the transonic or supersonic flow as an imprinted disturbance influences the formation of droplets in the formation process during the formation of rays or lamellae, from which the droplets are formed, as explained in the introduction.
  • the cone angle ⁇ of the inner circumferential surface 38 of the Leithül se 40 is changed and the annular channel 56 does not have constant cross-section more, a modified flow behavior of the working air through the annular channel 56 and at volen unchanged lobes 56 and 52 'results to a changed geometry of the annular gap 54, which affects the outflow of the working air from the Laval ring nozzle 58.
  • the cone angle ⁇ can be varied in a range of -15 and + 75 ° with respect to the rotation axis 18.
  • the bell cup 8 is rotated about its axis of rotation 18 by means of the drive device 20 and the paint feed channel 24 in the hollow shaft 22 is fed with lacquer.
  • lacquer first emerges from the dispensing opening 30 in the annular plate 28 of the rotating bell cup 8 and strikes its baffle plate 32.
  • This lacquer due to the rotation of the bell cup 8, passes as a lacquer film to its inside outflow surface 34 and further to the front to the tear-off edge 36, where the paint film dissolves in the form of rays or fins of the bell plate from which then arise droplets.
  • the average size of the droplets which are thrown away from the bell cup 8 also changes.
  • working air is now blown by the delivery device 70 as transonic or supersonic flow from the delivery annular gap 44 onto the coating material at the tear-off edge 36.
  • This working air affects the instability of the blast or lamellae at the spoiler edge 36 and causes smaller droplets to form.
  • the average size of the sprayed from the tear-off edge 36 of the bell cup 8 paint droplets unified; It forms a spray with a relatively uniform droplet spectrum.
  • the same droplet size can be selected by the imposed disturbance by the working air lower speeds. Due to the lower speed, the drops fly less far in the radial direction to the outside.
  • the diameter of the paint mist generated by the nozzle head 6 is smaller than without the dispenser 70 and the paint mist is effectively focused even at lower speeds of the bell cup 8 on the object to be painted.
  • the geometry and the droplet spectrum of the spray jet can now be adjusted.
  • the bell cup can now be compared with a rotary atomizer without dispenser 70 rotated at a lower speed without the droplet spectrum of the spray suffers.
  • Another parameter which influences the geometry of the spray jet in conjunction with the transonic or supersonic flow is, of course, the liquid volume flow with which the coating material is supplied to the bell cup 8, which in turn influences the jet and lamella formation at the tear-off edge 36 of the bell cup 8.
  • Figure 3 shows a nozzle head 6 of a rotary atomizer 2 according to a second embodiment, wherein the main ⁇ flow direction of the working fluid again by an arrow A is illustrated.
  • the guide sleeve 40 forms an inner guide sleeve 40 and is so surrounded by an outer, also stationary mounted guide body in the form of a guide sleeve 72, that an annular channel 74 remains between the inner guide sleeve 40 and the outer guide sleeve 72.
  • the outer guide sleeve 72 comprises a cone wall 76 with a conical inner circumferential surface 78 which is inclined relative to the axis of rotation 18 by a cone angle ⁇ .
  • the cone angle ß in a range of -15 ° and + 75 ° relative to the axis of rotation 18 can be varied.
  • both guide sleeves 40, 72 may be stationary or rotatable or only one of the two guide sleeves 40, 72 may be mounted stationary while the other guide sleeve 72 or 40 is rotatable.
  • the inner guide sleeve 40 has a conical outer surface 80 whose inclination relative to the axis of rotation 18 now defines the cone angle ⁇ .
  • the cone wall 48 of the inner guide sleeve 40 opens adjacent to the bell cup 8 in an edge portion 82, which now defines the end edge 42 of the inner guide sleeve 40.
  • the edge portion 82 has a conical outer surface 84, which in turn is inclined at a cone angle ⁇ with respect to the axis of rotation 18.
  • This outer circumferential surface 84 of the Randab ⁇ section 82 of the inner guide sleeve 40 has the collection 46 of the guide sleeve 40, which now no longer points in the direction of the bell cup 8, but in the direction of the outer guide sleeve 72.
  • the bell plate 8 now has no survey more.
  • the cone wall 76 of the outer guide sleeve 72 opens into an edge portion 86 which defines a free end frame 88 of the outer guide sleeve 72.
  • the edge portion 86 of the outer guide sleeve 72 has a conical inner surface 90, which in turn is inclined in a cone angle ⁇ relative to the axis of rotation 18.
  • the inner circumferential surface 90 of the edge portion 86 of the outer guide sleeve 72 in turn has an annular elevation 92 in the circumferential direction, which is arranged opposite the elevation 46 of the inner guide sleeve 40, so that between the elevations 46 and 92 an annular gap 94 is formed.
  • the narrowest point of the annular channel 74 between the two guide sleeves 40 and 72 is thus predetermined by the annular gap 94.
  • angles ⁇ and ß are equal and as large as the cone angle of the outer circumferential surface 16 of the bell cup 8.
  • the angles ⁇ and ⁇ are also the same size, but are smaller than the angle and ß, so that the edge portions 82 and 86 of the guide sleeves 40 and 72 are inclined relative to the cone walls 48 and 76 in the direction of the bell plate 8.
  • angles ⁇ and ⁇ can be varied, for example, in a range of -90 ° and + 45 ° with respect to the rotation axis 18.
  • angles and ⁇ and the angles ⁇ and ⁇ may be different from each other to influence the flow of the working air.
  • the working air flows in the present example on the
  • Compressed air source 60 in the annular channel 76 and is through the discharge gap 44 is blown onto the coating material at the tear-off edge 36 of the bell cup 8, which is here formed between the free edges 42 and 88 of the guide sleeves 40 and 72, respectively.
  • the outer lateral surface 84 of the edge section 82 of the inner guide sleeve 40 with the elevation 46 forms here with the inner lateral surface 90 of the peripheral section 86 of the outer guide sleeve 72 with the elevation 92 a Laval nozzle unit in the form of a Laval annular nozzle 96, which comprises the dispensing annular gap 44.
  • the guide vanes 68 To support the flow of the working air through the annular channel 76 carries here the outer circumferential surface 80 of the cone wall 48 of the inner guide sleeve 40, the guide vanes 68.
  • the inner guide sleeve 40 can this as the bell cup 8 by means of its own, not separately shown drive or by means of the drive 20 to the rotation axis 18 are rotated.
  • FIG. 4 shows a further modified nozzle head 6 of a rotary atomizer 2 according to a third exemplary embodiment.
  • the bell cup 8 is again surrounded only by the guide sleeve 40, which carries at its free edge 42, however, as Laval nozzle unit a Lavalringharm 98.
  • This Lavalring- body 98 may also be integrated into the guide sleeve 40; if necessary, a housing enclosing the guide sleeve 40 and the lavalring body 98 may be present.
  • the lavalring body 98 includes a flow annulus 100 to which working air from the compressed air source 60 is supplied.
  • Flow annulus 100 merges at a flat annular surface into an annular nozzle body 102 having a plurality of Laval nozzle openings 104 through which the working air from the Lavalring Orchestra 98 as transonic or supersonic flow to the coating material at the trailing edge 36 of the bell cup 8 is blown becomes.
  • the passage cross section for the working air flowing through initially narrows and then widens again in the direction of an exit side.
  • the Laval nozzle openings 104 define a longitudinal axis 106, which is tilted relative to the axis of rotation 18 by an angle ⁇ . Two variants are shown by way of example in FIG. 4, how this tilting of the Laval nozzle openings 104 can be achieved.
  • FIG. 4 shows on the left a section of a lavalring body 98 in which the Laval nozzle openings 104 are tilted relative to a surface normal of the annular surface of the flow annulus 100.
  • the lavalring body 98 itself corresponds to a section of a hollow cylinder.
  • the main flow direction of the working fluid is illustrated only in Figure 4 on the left by an arrow A.
  • FIG. 1 a section of a lavalring body 98 in which the longitudinal axes 106 of the Laval nozzle openings 104 are coaxial to a respective surface normal of the annular surface of the flow annulus 100 is shown in FIG.
  • the lavalring body 98 as a whole is tilted, so that in this case it forms a flat truncated cone, as illustrated in FIG.
  • the tilt angle ⁇ can for example be varied in a range of -45 ° and + 90 ° with respect to the axis of rotation 18.
  • a circumferential Laval annular gap may also be formed in the nozzle body 102.
  • the Laval nozzle openings 104 can also run obliquely in the circumferential direction, so that they are in the section shown in FIG tilted against the paper plane. In this way, a swirl of the working air can be generated.
  • the Lavalringharm 98 thus acts at the same time as a twisting device.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Rotationszerstäubers, mit dem ein Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand aufgebracht wird, wird ein Glockenteller (8) um eine Rotationsachse (18) verdreht und einer Abströmfläche (34) des Glockentellers (8) Beschichtungsmaterial derart zugeführt, dass Beschichtungsmaterial von dem Glockenteller (8) weggeschleudert wird. Ein Arbeitsfluid wird mittels einer Abgabeeinrichtung (70) zumindest zeitweise als transsonische oder supersonische Strömung auf von dem Glockenteller (8) kommendes Beschichtungsmaterial geblasen. Ferner ist ein Düsenkopf für einen- Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand angegeben, der einen um eine Rotationsachse (18) drehbaren Glockenteller (8) mit einer Abströmfläche (34) umfasst, welcher Beschichtungsmaterial derart zuführbar ist, dass Beschichtungsmaterial von dem Glockenteller (8) weggeschleudert wird. Es ist eine Abgabeeinrichtung (70) vorhanden, mittels welcher ein Arbeitsfluid zumindest zeitweise als transsonische oder supersonische Strömung auf von dem Glockenteller (8) kommendes Beschichtungsmaterial blasbar ist. Außerdem ist ein Rotationszerstäuber mit einem solchen Düsenkopf angegeben.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Rotationszerstäubers, Düsenkopf und Rotationszerstäuber mit einem solchen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Rotationszerstäubers, mit dem ein Beschichtungsmaterial auf einen Gegenstand aufgebracht wird, bei welchem ein Glockenteller um eine Rotationsachse verdreht wird und einer Abströmfläche des Glockentellers Beschichtungsmaterial derart zugeführt wird, dass Beschichtungsmaterial von dem Glockenteller weggeschleudert wird.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Düsenkopf für einen Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Glockenteller mit einer Abströmfläche, welcher Beschichtungsmaterial derart zuführbar ist, dass Beschichtungsmaterial von dem Glockenteller weggeschleudert wird;
Ferner betrifft die Erfindung einen Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand mit einem Düsenkopf.
Rotationszerstäuber, die mit einem Düsenkopf der genannten Art ausgestattet sind, werden zum Beispiel in der Automobilindustrie verwendet, um Gegenstände, wie Teile von Fahrzeugkarosserien, zu lackieren oder mit einem Schutzmaterial zu beschichten .
Der Glockenteller dient dabei zum Zerstäuben des Beschichtungsmaterials, wozu er im Betrieb mit sehr hohen Drehzahlen von 10.000 bis 100.000 U min-1 um seine Rotationsachse ge¬ dreht wird.
Dem rotierenden Glockenteller wird das gewählte Beschich tungsmaterial zugeführt. Auf Grund von Zentrifugalkräften, die auf das Beschichtungsmaterial wirken, wird es auf dem Glockenteller als Film nach außen getrieben, bis es zu einer radial außen liegenden Abrisskante des Glockentellers gelangt. Dort wirken derart hohe Zentrifugalkräfte auf das Beschichtungsmaterial, dass es in Form von feinen Beschich- tungsmaterial-Tröpfchen tangential weggeschleudert wird.
Hierbei entstehen Tröpfchen mit unterschiedlichen Größen, die sich über einen verhältnismäßig weiten Größenbereich erstrecken. Größere Tröpfchen werden dabei radial weiter nach außen geschleudert als kleinere Tröpfchen. Mit Düsenköpfen und Rotationszerstäubern der eingangs genannten Art wird so ein relativ breiter Sprühstrahl erzeugt, der im Idealfall kegelförmig ist und einen verhältnismäßig großen Konuswinkel aufweist.
- Dabei ist es wünschenswert, dass die Größe der Tröpfchen verhältnismäßig einheitlich ist und das auf die Größe bezo¬ gene Tröpfchenspektrum sich nur über einen möglichst kleinen Bereich erstreckt. Außerdem sollten die Tröpfchen möglichst klein sein, da bei kleineren Tröpfchen ein homogeneres Be- schichtungsergebnis erzielt wird.
Ein Maß für die Tröpfchengrößenverteilung und damit für das Tröpfchenspektrum des Sprühstrahls ist zum Beispiel der sogenannte span-Wert, wie er unter anderem in Mescher et al., Gravity affected break-up of laminar threads at low gas- relative-velocities, Chem. Eng. Sei., Volume 69, Issue 1, 13. Februar 2012, Seiten 181-192, beschrieben ist.
Je langsamer der Glockenteller gedreht wird, desto größer sind im Mittel die Tröpfchen, welche von der Abrisskante weggeschleudert werden. Entsprechend werden bei höheren Drehzahlen des Glockentellers im Mittel kleinere Tröpfchen an der Abrisskante des Glockentellers erzeugt. Aus diesem Grund wird der Glockenteller in der Regel mit hohen Drehzahlen betrieben, was mit einem entsprechend hohen Energie- verbrauch verknüpft ist. Zugleich ist die radiale Ausbrei- tung des Sprühstrahls bei höheren Drehzahlen des Glockentellers wiederum größer als bei kleineren Drehzahlen, so dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, diesen Sprühstrahl auf die zu beschichtenden Gegenstände zu fokussieren. Hierzu arbeiten bekannte Rotationszerstäuber beispielsweise elektrostatisch. Hierbei wird das zu applizierende Beschich- tungsmaterial aufgeladen, wogegen der zu beschichtende Gegenstand geerdet ist. Dabei bildet sich ein elektrisches Feld zwischen dem Rotationszerstäuber und dem Gegenstand aus, durch welches das aufgeladene Beschichtungsmaterial gerichtet auf den Gegenstand appliziert wird. Dies funktio¬ niert jedoch nur bei elektrisch leit fähigen Gegenständen.
Alternativ oder auch ergänzend zum elektrostatischen Betrieb haben sich bei bekannten Rotationszerstäubern Lenklufteinrichtungen etabliert. Mit diesen wird ein meist ringförmiger Lenkluftstrom so auf den Sprühstrahl geleitet, dass dieser gebündelt wird und die Tröpfchen unterschiedlicher Größe ge¬ richtet auf den zu beschichtenden Gegenstand gelenkt werden.
Teilweise sind hierzu jedoch starke Lenkluft ströme notwen¬ dig, deren Erzeugung mit bekannten Mitteln relativ aufwendig ist . Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, einen Düsenkopf und einen Rotationszerstäuber der eingangs genannten Art be¬ reitzustellen, mit welchen ein energieeffizienter Betrieb des Rotationszerstäubers bei einem möglichst homogenen und fokussierten Sprühstrahl ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Arbeitsfluid mittels einer Abgabeeinrichtung zumindest zeitweise als transsonische oder supersonische Strömung auf von dem Glockenteller kommendes Beschichtungsmaterial geblasen wird.
Zu von dem Glockenteller kommendem Beschichtungsmaterial zählt vorliegend sowohl Beschichtungsmaterial, welches sich bereits von dem Glockenteller gelöst hat und von diesem weggeschleudert wurde, als auch Beschichtungsmaterial, welches noch an dem Glockenteller haftet. Beispielsweise kann letzteres Beschichtungsmaterial umfassen, welches im Begriff ist, sich von der Abrisskante des Glockentellers abzulösen. In diesem Fall bilden sich in an und für sich bekannter Art und Weise Strahlen oder Lamellen an der Abrisskante, aus denen dann die Tröpfchen entstehen.
Unter einer transsonischen Strömung ist vorliegend eine Strömung mit einer Mach-Zahl Ma von 0,8 bis 1,2 zu verstehen. Eine solche Strömung wird auch als schallgeschwindig¬ keitsnahe Strömung bezeichnet. Eine supersonische Strömung hat eine Mach-Zahl Ma von mehr als 1,2.
Durch diese Maßnahme wird eine aufgeprägte Störung im Hinblick auf das Beschichtungsmaterial erzeugt, welche die Tröpfchenbildung beeinflussen kann.
Vorzugsweise wird das Arbeitsfluid in Richtung auf eine Ab¬ risskante des Glockentellers und nochmals bevorzugt auf sich von einer Abrisskante des Glockentellers lösendes Beschich¬ tungsmaterial geblasen; letzteres liegt in Form der oben an¬ gesprochenen Strahlen oder Lamellen vor. Dort beeinflusst das Arbeitsfluid als aufgeprägte Störung die Instabilität der Strahlen bzw. der Lamellen und somit die Tröpfchenbil- dung im Entstehungsprozess . Diese aufgeprägte Störung führt zu einer vermehrten Bildung von kleineren Tröpfchen mit einem moderaten Tröpfchenspektrum. Es sind somit schon bei kleinen Drehzahlen des Glockentellers zumindest weniger grö ßere und damit schwerere Tröpfchen vorhanden, die bei gleicher Drehzahl durch Zentrifugalkräfte weiter nach radial au ßen getragen würden als kleinere und damit leichtere Lacktröpfchen. Zugleich wird der Lacknebel auch bei kleineren Drehzahlen des Glockentellers effektiv auf den zu lackieren den Gegenstand fokussiert.
Bei dem Düsenkopf wird die oben genannte Aufgabe mit den gleichen Vorteilen dadurch gelöst, dass eine Abgabeeinrichtung vorhanden ist, mittels welcher ein Arbeitsfluid zumindest zeitweise als transsonische oder su- personische Strömung auf von dem Glockenteller kommendes Be- schichtungsmaterial blasbar ist.
Aus den oben bereits genannten Gründen ist die Abgabeeinrichtung vorzugsweise derart eingerichtet, dass das Arbeitsfluid in Richtung auf eine Abrisskante des Glockentellers geblasen wird.
Dabei ist es günstig, wenn die Abgabeeinrichtung derart ein gerichtet ist, dass das Arbeitsfluid auf sich von einer Abrisskante des Glockentellers lösendes Beschichtungsmaterial geblasen wird.
Wenn die Abgabeeinrichtung eine Lavaldüseneinheit mit einem Abgabe-Ringspalt oder mehreren Abgabeöffnungen umfasst, un¬ terstützt dies effektiv die Erzeugung einer transsonischen oder supersonischen Strömung. Bei einer Lavaldüse verengt sich der Durchgangsquerschnitt für ein durchströmendes Arbeitsfluid zunächst und weitet sich dann in Richtung auf eine Austrittsöffnung wieder auf. Hierdurch kann das durchströmende Arbeitsfluid stark be- schleunigt werden, ohne dass dazu weitere Maßnahmen erforderlich sind. Dies ist bereits in der deutschen Patentanmeldung mit den Aktenzeichen 10 2010 053 134.0 beschrieben.
Die Erzeugung der transsonischen oder supersonischen Strö- mung kann ergänzend durch eine Fluidquelle unterstützt werden, aus welcher der Lavaldüseneinheit das Arbeitsfluid unter Überdruck zuführbar ist. Hierdurch strömt das Arbeitsfluid bereits mit hoher Geschwindigkeit zur Lavaldüseneinheit, wo es dann noch weiter beschleunigt wird.
Es ist günstig, wenn die Außenmantelfläche des Glockentellers von einer Innenmantelfläche eines Leitkörpers umgeben ist, die mit der Außenmantelfläche des Glockentellers eine Laval-Ringdüse ausbildet. Auf diese Weise kann die Außenman- telfläche des Glockentellers als Strömungsfläche der Laval- Ringdüse genutzt werden. Der Begriff Laval-Ringdüse soll vorliegend eine ringförmige Düse mit einem ringförmigen Abgabespalt anstelle einer klassischen axialen Düsenöffnung beschreiben. Dabei verengt sich der Durchgangsquerschnitt des ringförmigen Abgabespalts für ein durchströmendes Ar¬ beitsfluid zunächst und weitet sich dann in Richtung auf ei¬ nen Austritts-Ringspalt wieder auf.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Glockenteller und dem Leitkörper ein Ringkanal vorhanden ist, wobei zwi¬ schen der Innenmantelfläche des Leitkörpers und der Außen¬ mantelfläche des Glockentellers außerdem ein Ringspalt aus¬ gebildet ist, welcher die engste Stelle des Ringkanals vorgibt . Alternativ kann der Glockenteller von einem ersten, inneren Leitkörper und der innere Leitkörper von einem zweiten, äußeren Leitkörper umgeben sein und eine Außenmantelfläche des inneren Leitkörpers mit einer Innenmantelfläche des äußeren Leitkörpers eine Laval-Ringdüse ausbilden.
In diesem Fall ist es günstig, wenn zwischen dem inneren Leitkörper und dem äußeren Leitkörper ein Ringkanal vorhanden ist, wobei zwischen einer Außenmantelfläche des inneren Leitkörpers und einer Innenmantelfläche des äußeren Leitkörpers ein Ringspalt ausgebildet ist, welcher die engste Stelle des Ringkanals vorgibt.
Eine weitere günstige Alternative ist umgesetzt, wenn der Glockenteller von einem Lavalringkörper umgeben ist, der mehrere Laval-Düsenöffnungen aufweist. Hier hat die Lavaldü- seneinheit keinen Ringspalt, sondern mehrere Düsenöffnungen, aus denen die transsonische oder supersonische Strömung auf das Beschichtungsmaterial geblasen wird. Anders ausgedrückt ist der Lavalringkörper somit aus einer Vielzahl von einzelnen Lavaldüsen gebildet, die entlang einer Ringbahn angeordnet sind.
Eine geometrisch günstige Ausbildung ist gewährleistet, wenn die Außenmantelfläche des Glockentellers eine Kegelstumpf¬ fläche bildet.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn in einem vorhanden Ringka¬ nal Leitschaufeln angeordnet sind, die so eingerichtet sind, dass bei der Drehung des Glockentellers und/oder eines Leit¬ körpers Arbeitsfluid, welches sich in dem Ringkanal befin¬ det, zu dem Abgabe-Ringspalt oder, falls vorhanden, zu den mehreren Laval-Düsenöffnungen der Lavaldüseneinheit gefördert wird. Hierdurch kann die Beschleunigung des Arbeitsflu- ids alternativ oder ergänzend unterstützt werden. Abhängig von dem Anstellwinkel der Leitschaufeln kann die transsonische oder supersonische Strömung eine azimutale Geschwindigkeitskomponente aufnehmen, wodurch die Relativgeschwindigkeit der transsonischen oder supersonischen Strömung zu der Geschwindigkeit des sich von dem Glockenteller ablösenden Beschichtungsmaterial beeinflusst wird. Auch hierüber kann der oben angesprochene span-Wert und damit das Tröpfchenspektrum des Sprühstrahls beeinflusst werden. Im Hinblick auf den Rotationszerstäuber der eingangs genannten Art wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Düsenkopf mit einigen oder allen der oben genannten Merkmale ausgebildet ist. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1 einen Axialschnitt eines Düsenkopfes eines Rotationszerstäubers mit einer Abgabeeinrichtung für Ar- beitsluft gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, mittel welcher eine transsonische oder supersonische Strömung erzeugt werden kann;
Figuren 2A und 2B Varianten einer Dralleinrichtung des Dü- senkopfes;
Figur 3 einen Axialschnitt eines abgewandelten Düsenkopfes mit einer Abgabeeinrichtung für Arbeitsluft gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Figur 4 einen Axialschnitt eines nochmals abgewandelten Düsenkopfes mit einer Abgabeeinrichtung für Arbeits¬ luft gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In Figur 1 ist mit 2 insgesamt ein Rotationszerstäuber be- zeichnet, von dem lediglich ein Kopfabschnitt 4 mit einem Düsenkopf 6 gezeigt ist. Mittels des Rotationszerstäubers 2 kann Lack auf einen nicht eigens gezeigten Gegenstand appliziert werden.
Der Düsenkopf 6 umfasst einen rotationssymmetrischen Glockenteller 8. Dieser ist beim vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel insgesamt als hohler Kegelstumpf 10 mit einer umlaufenden Wand 12 ausgebildet und hat eine kegelstumpfförmige Innenmantelfläche 14 und eine kegelstumpfförmige Außenmantelfläche 16. Der Glockenteller 8 kann auch hiervon abweichende Geometrien haben, wie sie an und für sich bei Glockentellern aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Der Glockenteller 8 ist mit hoher Geschwindigkeit um eine Rotationsachse 18 drehbar, wozu der Rotationszerstäuber 2 eine Antriebseinrichtung 20 umfasst, die in den Figuren le¬ diglich schematisch veranschaulicht ist. Der Glockenteller 8 kann beispielsweise mittels eines Elektromotors oder pneuma¬ tisch angetrieben werden. Der Glockenteller 8 rotiert im Betrieb mit Drehzahlen von 10.000 bis 100.000 min-1 um seine Rotationsachse 18.
Der Glockenteller 8 ist von dem freien Ende einer zum Glo¬ ckenteller 8 koaxialen Hohlwelle 22 getragen, die mit der Antriebseinrichtung 20 gekoppelt ist und die in Längsrich¬ tung einen Lackzuführkanal 24 begrenzt, der aus einem nicht gezeigten Lackreservoir gespeist werden kann.
Die Hohlwelle 22 endet in einem senkrecht zur Rotationsachse 18 verlaufenden Befestigungsflansch 26, über den sie mit dem Glockenteller 8 verbunden ist. Hierzu umfasst der Glockenteller 8 eine zum Befestigungsflansch 26 der Hohlwelle 22 komplementäre Ringplatte 28 mit einer zentralen Abgabeöff- nung 30, in welche der Lackzuführkanal 24 in der Hohlwelle 22 mündet.
Der Glockenteller 8 umfasst ferner in an und für sich bekannter Art und Weise eine Prallplatte 32, die von der Ring platte 28 getragen ist. Die Prallplatte 32 verläuft senkrecht zur Rotationsachse 18 des Glockentellers 8 und ist in geringem Abstand von der Ringplatte 28 im Inneren des Glockentellers 8 angeordnet. Die Prallplatte 32 verläuft radia nach außen bis kurz vor die Innenmantelfläche 14 des Glockentellers 8, welche als kegelstumpfförmige Abströmfläche 34 dient. Der Außendurchmesser dieser Abströmfläche 34 vergrößert sich entsprechend in Richtung von der Hohlwelle 22 weg. Am von der Hohlwelle 22 abliegenden Ende endet die Abströmfläche 34 in einer umlaufenden Abrisskante 36.
Die Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 ist von einer konischen Innenmantelfläche 38 eines als Leithülse 40 ausge bildeten Leitkörpers umgeben, der koaxial zum Glockenteller 8 angeordnet ist. Die Leithülse 40 hat einen freien Endrand 42, der radial neben der Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 angeordnet ist, so dass dort ein Abgabe-Ringspalt 44 ausgebildet ist.
In Richtung von dem freien Endrand 42 nach Innen gesehen weist die Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 in ümfangs- richtung eine ringförmige und in Richtung auf die Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 zu gewölbte Erhebung 46 auf, die von der Konuswand 48 der Leithülse 40 getragen ist Die Konuswand 48 der Leithülse 40 mündet dann in einem Hohl zylinderträger 50 mit konstantem Querschnitt, welcher die Hohlwelle 22 umgibt und zur Fixierung der Leithülse 40 am Rotationszerstäuber 2 dient.
Die Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 ist gegenüber der Rotationsachse 18 in einem Winkel α geneigt. Dieser Winkel α ist somit der Konuswinkel für die Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40, deren Außenmantelfläche auch einen anderen als konischen Verlauf haben kann. Die Leithülse 40 ist gegenüber dem verdrehbaren Glockenteller 8 bezogen auf eine Rotation stationär gelagert. Bei einer Abwandlung kann jedoch auch die Leithülse 40 mittels eines hier nicht eigens gezeigten Antriebs um die Rotationsachse 18 gedreht werden.
Die Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 weist in Um- fangsrichtung eine ringförmige Erhebung 52 auf, welche der Erhebung 46 der Leithülse 40 gegenüberliegt und in Richtung auf diese zu gewölbt ist, wobei zwischen den Erhebungen 46 und 52 ein Ringspalt 54 verbleibt.
Insgesamt ist zwischen der Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 und der Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 ein Ringkanal 56 ausgebildet, dessen engste Stelle durch den Ringspalt 54 vorgegeben ist.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Winkel α der Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 so groß wie der Konuswinkel der Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8, so dass dessen Außenmantelfläche 16 und die Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 parallel zueinander verlaufen und der Ringkanal 56 abgesehen von dem Ringspalt 54 einen konstanten Querschnitt hat. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen können der Konuswinkel der Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 und der Konuswinkel α der Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 auch voneinander verschieden sein, so dass sich der Ringkanal 56 in Richtung auf den Abgabespalt 44 verjüngt oder erweitert. Hierauf wird weiter unten nochmals eingegan¬ gen .
Die Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 mit der Erhebung 46 bildet auf diese Weise mit der Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 mit der Erhebung 52 eine Lavaldüseneinheit in Form einer Laval-Ringdüse 58, welche den Abgabe-Ringspalt 44 umfasst, aus dem ein Arbeitsfluid auf das sich von dem Glockenteller 8 ablösende Beschichtungsmaterial geblasen wird. Dabei ist die Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 mit der Erhebung 46 eine erste Strömungsfläche und die Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8 mit der Erhebung 52 eine zweite Strömungsfläche der Laval-Ringdüse 58, die sich gegenüber liegen.
Als Arbeitsfluid wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel Luft verwendet, welche nachfolgend als Arbeitsluft bezeichnet wird. Anstelle von Luft können jedoch auch andere Gase als Arbeitsfluid verwendet werden.
Als Arbeitsluft wird dem Ringkanal 56 und auf diesem Wege der Laval-Ringdüse 58 hierzu in an und für sich bekannter Art und Weise Druckluft aus einer Fluidquelle in Form einer Druckluftquelle 60 unter Überdruck zugeführt, was in den Figuren nur stark schematisch veranschaulicht ist. Die Druckluftquelle 60 kann beispielsweise als Verdichter ausgebildet sein .
Die Arbeitsluft kann dem Ringkanal 56 mit oder ohne Drall zugeführt werden. Wenn die Arbeitsluft mit Drall in den Ringkanal 56 einströmen soll, ist eine Dralleinrichtung 62 vorhanden. Beispielsweise kann diese einen Zuführstutzen 64 an dem Hohlzylinderträger 50 umfassen, über welchen die Arbeitsluft tangential oder teiltangential in den Ringkanal 56 einströmt, wie es in den Figuren 2A bzw. 2B veranschaulicht ist. Dort ist jeweils ein Schnitt quer zur Rotationsachse 18 gezeigt. Der resultierende Drall der Arbeitsluft wird hierbei durch den Anstellwinkel der Tangential- oder Teiltangen- tialzufuhr bestimmt. Bei einer nicht eigens gezeigten Abwandlung kann die Arbeitsluft aus der Druckluftquelle 60 auch über eine Leiteinrichtung in den Ringkanal 56 einströmen, welche beispielsweise Luftleitnuten oder Luftleitschaufeln umfasst, wie es z.B. bei Hohlkegeldüsen an und für sich bekannt ist. Auch können entsprechend schräg geführte Zuführbohrungen im Hohlzylinderträger 50 für einen Drall der Arbeitsluft im Ringkanal 56 sorgen.
In allen Fällen hängt der Einströmwinkel der Arbeitsluft in den Ringkanal 56 von den baulichen Gegebenheiten ab und kann hierüber entsprechend vorgegeben werden.
Um die durch den Ringkanal 56 strömende Arbeitsluft noch zusätzlich in Richtung auf den Ringspalt 54 und den Abgabe- Ringspalt 44 zu beschleunigen, trägt die Hohlwelle 22 auf ihrer Außenmantelfläche 66 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Leitschaufeln 68. Diese haben eine solche Geometrie und sind so angeordnet, dass Arbeitsluft in Richtung auf den Abgabe-Ringspalt 44 gefördert wird, wenn sich der Glo¬ ckenteller 8 im Betrieb des Rotationszerstäubers 2 dreht. Die Leitschaufeln 68 können einen vorhandenen Drall der Arbeitsluft unterstützen oder einen Drall erzeugen. Insgesamt hängt die Wirkung der Leitschaufeln 68 in an und für sich bekannter Weise von deren Geometrie und Anstellwinkel ab.
Wenn durch die Druckluftquelle 60 eine ausreichend große Strömungsgeschwindigkeit der Arbeitsluft erreicht werden kann, kann auch auf die Leitschaufeln 68 verzichtet werden. Andererseits kann der notwendige Überdruck der Arbeitsluft aus der Druckluftquelle 60 kleiner sein, wenn die Leitschau¬ feln 68 den Vortrieb der Arb'eitsluft zum Abgabespalt 44 un¬ terstützen, wodurch wiederum der Energiebedarf für den Betrieb der Druckluftquelle 60 gesenkt werden kann. Die Außenmantelfläche 66 der Hohlwelle 22 dient zugleich als Luftleitfläche und weist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einen zylindrischen Bereich 66a neben dem Hohlzylinderträger 50 und einen konischen Bereich 66b neben der Leithülse 40 auf, so dass die Außenmantelfläche 62 der Hohlwelle 22 weitgehend parallel zur Innenmantelfläche 38 der Leithülse 40 verläuft.
Insgesamt ist durch das Zusammenspiel der beteiligten Komponenten, d.h. durch das Zusammenspiel der Druckluftquelle 60, gegebenenfalls der Dralleinrichtung 62, gegebenenfalls der Leitschaufeln 68, des Ringkanals 56, des Ringspalts 54 und des Abgabe-Ringspalts 44, eine Abgabeeinrichtung 70 vorhanden, durch welche ein Arbeitsfluid zumindest zeitweise als transsonische oder supersonische Strömung auf das sich von dem Glockenteller 8 ablösende Beschichtungsmaterial geblasen werden kann.
Die Geschwindigkeit, mit welcher die Arbeitsluft über den Abgabe-Ringspalt 44 abgegeben wird, und die Wirkung der Ar¬ beitsluft auf die Tröpfchenentstehung, die von dem Glocken¬ teller 8 wegegeschleudert werden, hängen von dem Zusammen¬ spiel der beteiligten Komponenten der Abgabeeinrichtung 70 ab. So beeinflussen beispielsweise der Abgabedruck der
Druckluftquelle 60 bzw. der Volumenstrom der von der Druckluftquelle 60 kommenden Arbeitsluft sowie die Geometrie des Ringkanals 56 und der Laval-Ringdüse 58 die Arbeitsluftströmung .
Die Arbeitsluft kann von der Abgabeeinrichtung 70 auch als supersonische Strömung auf das sich von dem Glockenteller 8 ablösende Beschichtungsmaterial geblasen werden.
Die transsonische oder supersonische Strömung wirkt als so- genannte aufgeprägte Störung im Hinblick auf das Beschich- tungsmaterial . Die Arbeitsluft wird dabei durch die Laval- Ringdüse 58 in Richtung auf die Abrisskante 36 des Glockentellers 8 geleitet, was durch einen Pfeil A veranschaulicht ist, welcher in Figur 1 nur links gezeigt ist und die Haupt Strömung der transsonischen oder supersonischen Strömung an zeigen soll. An der Abrisskante 36 des Glockentellers 8 be- einflusst die transsonische oder supersonische Strömung als aufgeprägte Störung die Tröpfchenbildung im Entstehungspro- zess bei der Bildung von Strahlen oder Lamellen, aus denen die Tröpfchen entstehen, wie es eingangs erläutert wurde.
Wenn der Konuswinkel α der Innenmantelfläche 38 der Leithül se 40 geändert wird und der Ringkanal 56 keinen konstanten Querschnitt mehr hat, ergibt' sich ein geändertes Strömungsverhalten der Arbeitsluft durch den Ringkanal 56 und bei an sonsten unveränderten Erhebungen 56 und 52 auch eine geänderte Geometrie des Ringspalts 54, was das Ausströmen der Arbeitsluft aus der Laval-Ringdüse 58 beeinflusst. Beispielsweise kann der Konuswinkel α in einem Bereich von -15 und +75° bezogen auf die Rotationsachse 18 variiert werden.
Der oben beschrieben Rotations Zerstäuber 2 funktioniert nun wie folgt:
Im Betrieb des Rotationszerstäubers 10 wird der Glockenteller 8 mittels der Antriebseinrichtung 20 um seine Rotationsachse 18 verdreht und der Lack-Zuführkanal 24 in der Hohlwelle 22 mit Lack gespeist.
Dabei tritt Lack zunächst aus der Abgabeöffnung 30 in der Ringplatte 28 des rotierenden Glockentellers 8 aus und trifft auf dessen Prallplatte 32. Dieser Lack gelangt auf Grund der Drehung des Glockentellers 8 als Lackfilm zu dessen innen liegender Abströmfläche 34 und weiter nach vorne zu deren Abrisskante 36, wo der Lackfilm sich in Form von Strahlen oder Lamellen von dem Glockenteller löst, aus denen dann Tröpfchen entstehen. Wie eingangs angesprochen, ist es wünschenswert, kleine Tröpfchen zu erzeugen.
Abhängig von der Drehzahl des Glockentellers verändert sich bei einem Rotationszerstäuber ohne die oben erläuterte Abgabeeinrichtung 70 auch die durchschnittliche Größe der Tröpfchen, welche von dem Glockenteller 8 weggeschleudert werden. Je geringer die Drehzahl des Glockentellers 8 ist, desto größer sind die erzeugten Tröpfchen. Gleichzeitig ist es jedoch wünschenswert, den Glockenteller 8 mit kleinen Drehzahlen zu rotieren, um Energie zu sparen.
Durch die Abgabeeinrichtung 70 wird dem unerwünschten Effekt entgegengewirkt, dass bei kleineren Drehzahlen größere
Tröpfchen vom Glockenteller 8 weggeschleudert werden.
Es wird nämlich nun Arbeitsluft durch die Abgabeeinrichtung 70 als transsonische oder supersonische Strömung aus dem Abgabe-Ringspalt 44 auf das Beschichtungsmaterial an der Abrisskante 36 geblasen. Diese Arbeitsluft beeinflusst in der oben erläuterten Weise die Instabilität der Strahlen oder Lamellen an der Abrisskante 36 und bewirkt, dass kleinere Tröpfchen entstehen.
Somit können auf Grund der Abgabeeinrichtung 70 und der hierdurch erzeugten transsonischen oder supersonischen Strö¬ mung ausreichend kleine Tröpfchengrößen auch bei geringeren Drehzahlen des Glockentellers 8 erreicht werden. Zudem wird durch die transsonische oder supersonische Strömung die mittlere Größe der von der Abrisskante 36 des Glockentellers 8 weggeschleuderten Lacktröpfchen vereinheitlicht; es bildet sich ein Sprühstrahl mit einem verhältnismäßig einheitlichen Tröpfchenspektrum aus. Bei gleicher Tröpfchengröße können durch die aufgeprägte Störung durch die Arbeitsluft geringere Drehzahlen gewählt werden. Auf Grund der geringeren Drehzahl fliegen die Tropfen weniger weit in radialer Richtung nach außen.
Auf diese Weise wird der Durchmesser des von dem Düsenkopf 6 erzeugten Lacknebels kleiner als ohne die Abgabeeinrichtung 70 und der Lacknebel wird auch bei kleineren Drehzahlen des Glockentellers 8 effektiv auf den zu lackierenden Gegenstand fokussiert .
Durch die Kombination der Wirkung der Arbeitsluft auf das Tröpfchenspektrum des Sprühstrahls und der Drehzahl, mit welcher der Glockenteller 8 rotiert, können nun die Geometrie und das Tröpfchenspektrum des Sprühstrahls eingestellt werden. Je kleiner die Tröpfchen, desto geringer ist die radiale Erstreckung des Sprühstrahls bei unveränderter Drehzahl des Glockentellers 8.
Der Glockenteller kann nun im Vergleich mit einem Rotationszerstäuber ohne Abgabeeinrichtung 70 mit einer geringeren Drehzahl gedreht werden, ohne dass das Tröpfchenspektrum des Sprühstrahls darunter leidet.
Ein weiterer Parameter, der die Geometrie des Sprühstrahls im Zusammenspiel mit der transsonischen oder supersonischen Strömung beeinflusst, ist natürlich der Flüssigkeitsvolumenstrom, mit dem das Beschichtungsmaterial dem Glockenteller 8 zugeführt wird, der seinerseits die Strahl- und Lamellenbildung an der Abrisskante 36 des Glockentellers 8 beeinflusst.
Figur 3 zeigt einen Düsenkopf 6 eines Rotationszerstäuber 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Haupt¬ strömungsrichtung des Arbeitsfluids wieder durch einen Pfeil A veranschaulicht ist.
Dort bildet die Leithülse 40 eine innere Leithülse 40 und ist derart von einem äußeren, ebenfalls stationär gelagerten Leitkörper in Form einer Leithülse 72 umgeben, dass zwischen der inneren Leithülse 40 und der äußeren Leithülse 72 ein Ringkanal 74 verbleibt. Die äußere Leithülse 72 umfasst eine Konuswand 76 mit einer konischen Innenmantelfläche 78, die gegenüber der Rotationsachse 18 um einen Konuswinkel ß geneigt ist. Beispielsweise kann der Konuswinkel ß in einem Bereich von -15° und +75° bezogen auf die Rotationsachse 18 variiert werden.
Bei einer Abwandlung kann die innere Leithülse 40 und/oder die äußere Leithülse 72 mittels hier nicht eigens gezeigter Antriebe um die Rotationsachse 18 gedreht werden. Somit können beide Leithülsen 40, 72 stationär gelagert oder verdrehbar sein oder es kann jeweils nur eine der beiden Leithülsen 40, 72 stationär gelagert sein, während die andere Leithülse 72 bzw. 40 verdrehbar ist.
Die innere Leithülse 40 hat eine konische Außenmantelfläche 80, deren Neigung gegenüber der Rotationsachse 18 nun den Konuswinkel α definiert.
Die Konuswand 48 der inneren Leithülse 40 mündet neben dem Glockenteller 8 in einen Randabschnitt 82, welcher nun den Endrand 42 der inneren Leithülse 40 vorgibt. Der Randabschnitt 82 hat eine konische Außenmantelfläche 84, die ihrerseits in einem Konuswinkel γ gegenüber der Rotationsachse 18 geneigt ist. Diese Außenmantelfläche 84 des Randab¬ schnitts 82 der inneren Leithülse 40 weist die Erhebung 46 der Leithülse 40 auf, die nun nicht mehr in Richtung auf den Glockenteller 8, sondern in Richtung auf die äußere Leithülse 72 weist. Der Glockenteller 8 hat nun keine Erhebung mehr .
In entsprechender Weise mündet die Konuswand 76 der äußeren Leithülse 72 in einen Randabschnitt 86, welcher einen freien Endrahd 88 der äußeren Leithülse 72 vorgibt. Der Randabschnitt 86 der äußeren Leithülse 72 hat eine konische Innenmantelfläche 90, die ihrerseits in einem Konuswinkel δ gegenüber der Rotationsachse 18 geneigt ist. Die Innenmantelfläche 90 des Randabschnitts 86 der äußeren Leithülse 72 hat ihrerseits in Umfangsrichtung eine ringförmige Erhebung 92, welche gegenüber der Erhebung 46 der inneren Leithülse 40 angeordnet ist, so dass zwischen den Erhebungen 46 und 92 ein Ringspalt 94 ausgebildet ist.
Die engste Stelle des Ringkanals 74 zwischen den beiden Leithülsen 40 und 72 ist somit durch den Ringspalt 94 vorgegeben .
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 sind die Winkel α und ß gleich und so groß wie der Konuswinkel der Außenmantelfläche 16 des Glockentellers 8. Die Winkel γ und δ sind ebenfalls gleich groß, sind jedoch kleiner als die Winkel und ß , so dass die Randabschnitte 82 und 86 der Leithülsen 40 und 72 bezogen auf deren Konuswände 48 bzw. 76 in Richtung auf den Glockenteller 8 zu geneigt sind.
Die Winkel γ und δ können beispielsweise in einem Bereich von -90° und +45° bezogen auf die Rotationsachse 18 variiert werden .
Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen können die Winkel und ß sowie die Winkel γ und δ auch voneinander verschieden sein, um die Strömung der Arbeitsluft zu beeinflussen. Die Arbeitsluft strömt beim vorliegenden Beispiel über die
Druckluftquelle 60 in den Ringkanal 76 ein und wird durch den Abgabespalt 44 auf das Beschichtungsmaterial an der Abrisskante 36 des Glockentellers 8 geblasen, der hier zwischen den freien Rändern 42 und 88 der Leithülsen 40 bzw. 72 ausgebildet ist.
Die Außenmantelfläche 84 des Randabschnitts 82 der inneren Leithülse 40 mit der Erhebung 46 bildet hier mit der Innenmantelfläche 90 des Randabschnitts 86 der äußeren Leithülse 72 mit der Erhebung 92 eine Lavaldüseneinheit in Form einer Laval-Ringdüse 96, welche den Abgabe-Ringspalt 44 umfasst.
Zur Unterstützung der Strömung der Arbeitsluft durch den Ringkanal 76 trägt hier die Außenmantelfläche 80 der Konuswand 48 der inneren Leithülse 40 die Leitschaufeln 68. Die innere Leithülse 40 kann hierzu wie der Glockenteller 8 mittels eines eigenen, nicht gesondert gezeigten Antriebs oder mittels des Antriebs 20 um die Rotationsachse 18 gedreht werden .
Im Übrigen gilt das oben zu dem Rotations Zerstäuber 2 gemäß Figur 1 Gesagte sinngemäß entsprechend für den Rotationszerstäuber 2 gemäß Figur 3.
Figur 4 zeigt einen nochmals abgewandelten Düsenkopf 6 eines Rotationszerstäuber 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel .
Dort ist der Glockenteller 8 wieder nur von der Leithülse 40 umgeben, welche an ihrem freien Rand 42 jedoch als Lavaldüseneinheit einen Lavalringkörper 98 trägt. Dieser Lavalring- körper 98 kann auch in die Leithülse 40 integriert sein; gegebenenfalls kann ein die Leithülse 40 und den Lavalringkörper 98 einhüllendes Gehäuse vorhanden sein. Der Lavalringkörper 98 umfasst einen Strömungs-Ringraum 100, welchem Arbeitsluft aus der Druckluftquelle 60 zugeführt wird. Der Strömungs-Ringraum 100 geht an einer ebenen Ringfläche in einen ringförmigen Düsenkörper 102 über, der eine Vielzahl von Laval-Düsenöffnungen 104 aufweist, über welche die Arbeitsluft aus dem Lavalringkörper 98 als transsonische oder supersonische Strömung auf das Beschichtungsmaterial an der Abrisskante 36 des Glockentellers 8 geblasen wird.
Bei den Laval-Düsenöffnungen 104 verengt sich der Durchgangsquerschnitt für die durchströmende Arbeitsluft zunächst und weitet sich dann in Richtung auf eine Austrittsseite wieder auf.
Die Laval-Düsenöffnungen 104 geben eine Längsachse 106 vor, welche gegenüber der Rotationsachse 18 um einen Winkel ε verkippt ist. In Figur 4 sind beispielhaft zwei Varianten gezeigt, wie diese Verkippung der Laval-Düsenöffnungen 104 erreicht werden kann. In Figur 4 links ist ein Schnitt eines Lavalringkörpers 98 gezeigt, bei dem die Laval-Düsenöffnungen 104 gegenüber einer Flächennormalen der Ringfläche des Strömungs-Ringraumes 100 verkippt sind. Der Lavalringkörper 98 an sich entspricht dabei einem Abschnitt eines Hohlzylinders. Die Hauptströmungsrichtung des Arbeitsfluids ist nur in Figur 4 links durch einen Pfeil A veranschaulicht.
In Figur 4 rechts ist dagegen ein Schnitt eines Lavalringkörpers 98 gezeigt, bei dem die Längsachsen 106 der Laval- Düsenöffnungen 104 koaxial zu einer jeweiligen Flächennormalen der Ringfläche des Strömungs-Ringraumes 100 sind. Um den Kippwinkel ε herzustellen, ist der Lavalringkörper 98 insgesamt verkippt, so dass er in diesem Fall einen flachen Kegelstumpf bildet, wie es in Figur 4 veranschaulicht ist.
Der Kippwinkel ε kann beispielsweise in einem Bereich von -45° und +90° bezogen auf die Rotationsachse 18 variiert werden . Bei einer nicht eigens gezeigten Abwandlung kann anstelle der separaten Laval-Düsenöffnungen 104 auch ein umlaufender Laval-Ringspalt in dem Düsenkörper 102 ausgebildet sein.
Im Übrigen gilt das oben zu den Rotationszerstäubern 2 gemäß den Figuren 1 und 3 Gesagte sinngemäß entsprechend für den Rotationszerstäuber 2 gemäß Figur 4. Die Laval-Düsenöffnungen 104 können außerdem auch in Um- fangsrichtung schräg verlaufen, so dass sie beim in Figur 4 gezeigten Schnitt gegenüber der Papierebene verkippt sind. Auf diese Weise kann ein Drall der Arbeitsluft erzeugt werden. In diesem Fall wirkt der Lavalringkörper 98 somit zugleich als Dralleinrichtung.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben eines Rotationszerstäubers, mit dem ein Beschichtungsmaterial auf einen Gegenstand aufgebracht wird, bei welchem ein Glockenteller (8) um eine Rotationsachse (18) verdreht wird und einer Abströmfläche (34) des Glockentellers (8) Beschichtungsmaterial derart zugeführt wird, dass Beschichtungsmaterial von dem Glockenteller (8) weggeschleudert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsfluid mittels einer Abgabeeinrichtung (70) zumindest zeitweise als transsonische oder supersonische Strömung auf von dem Glockenteller (8) kommendes Beschichtungsmaterial geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid in Richtung auf eine Abrisskante (36) des Glockentellers (8) geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid auf sich von einer Abrisskante (36) des Glockentellers (8) lösendes Beschichtungsmaterial geblasen wird.
Düsenkopf für einen Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand mit einem um eine Rotationsachse (18) drehbaren Glockentel¬ ler (8) mit einer Abströmfläche (34), welcher Beschichtungsmaterial derart zuführbar ist, dass Beschichtungs- material von dem Glockenteller (8) weggeschleudert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgabeeinrichtung (70) vorhanden ist, mittels welcher ein Arbeitsfluid zumindest zeitweise als transsonische oder supersonische Strömung auf von dem Glocken- . teller (8) kommendes Beschichtungsmaterial blasbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die Abgabeeinrichtung (70) derart eingerichtet ist, dass das Arbeitsfluid in Richtung auf eine Abrisskante (36) des Glockentellers (8) geblasen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabeeinrichtung (70) derart eingerichtet ist, dass das Arbeitsfluid auf sich von einer Abrisskante (36) des Glockentellers (8) lösendes Beschichtungsmaterial geblasen wird.
7. Düsenkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Abgabeeinrichtung (70) eine La- valdüseneinheit (58; 96; 98) mit einem Abgabe-Ringspalt (44) oder mehreren Abgabeöffnungen (104) umfasst.
8. Düsenkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidquelle (60) vorhanden ist, aus welcher der La- valdüseneinheit (58; 96; 98) das Arbeitsfluid unter Überdruck zuführbar ist.
9. Düsenkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (16) des Glo¬ ckentellers (8) von einer Innenmantelfläche (38) eines Leitkörpers (40) umgeben ist, die mit der Außenmantel¬ fläche (16) des Glockentellers (8) eine Laval-Ringdüse (58) ausbildet.
Düsenkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Glockenteller (8) und dem Leitkörper (40) ein Ringkanal (56) vorhanden ist, wobei zwischen der In¬ nenmantelfläche (38) des Leitkörpers (40) und der Außenmantelfläche (16) des Glockentellers (8) außerdem ein Ringspalt (54) ausgebildet ist, welcher die engste Stelle des Ringkanals (56) vorgibt.
Düsenkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Glockenteller (8) von einem ersten, inneren Leitkörper (40) und der innere Leitkörper (40) von einem äußeren Leitkörper (72) umgeben ist und eine Außenmantelfläche (84) des inneren Leitkörpers (40) mit einer Innenmantelfläche (90) des äußeren Leitkörpers (72) eine Laval-Ringdüse (96) ausbildet.
Düsenkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Leitkörper (40) und dem äußeren Leitkörper (72) ein Ringkanal (74) vorhanden ist, wobei zwischen einer Außenmantelfläche (84) des inneren Leitkörpers (40) und einer Innenmantelfläche (90) des äuße¬ ren Leitkörpers (72) ein Ringspalt (94) ausgebildet ist, welcher die engste Stelle des Ringkanals (74) vorgibt.
Düsenkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Glockenteller (8) von einem La- valringkörper (98) umgeben ist, der mehrere Laval-Düsen- öffnungen (104) aufweist.
Düsenkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (16) des Glo¬ ckentellers (8) eine Kegelstumpffläche bildet.
15. Düsenkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorhanden Ringkanal (56; 74) Leitschaufeln (60) angeordnet sind, die so einge¬ richtet sind, dass bei der Drehung des Glockentellers (8) und/oder eines Leitkörpers (40, 72) Arbeitsfluid, welches sich in dem Ringkanal (56; 74) befindet, zu dem Abgabe-Ringspalt (44) oder bei Rückbezug auf Anspruch 13 zu den mehreren Laval-Düsenöffnungen (104) der Lavaldü- seneinheit (58; 96; 98) gefördert wird.
16. Rotationszerstäuber zum Aufbringen eines Beschichtungs- materials auf einen Gegenstand mit einem Düsenkopf (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (6) nach einem der Ansprüche 4 bis 15 aus¬ gebildet ist.
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