DE1965509B2

DE1965509B2 - Elektrostatische Spritzpistole

Info

Publication number: DE1965509B2
Application number: DE1965509A
Authority: DE
Inventors: Philip L. Basking Ridge N.J. Cowan (V.St.A.)
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1968-12-31
Filing date: 1969-12-30
Publication date: 1978-04-13
Also published as: FR2027485A1; US3645447A; DE1965509A1; DE1965509C3; GB1288619A; JPS5432809B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrostatische Spritzpistole, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Das elektrostatische Aufspritzen eines Überzuges unter Verwendung von Zerstäuberluft ist beim Spritzlackieren allgemein bekannt. Nach diesem Stand der Technik weisen hierfür verwendete Spritzpistolen u. a. eine Hochspannungselektrode beliebiger Größe und Form auf, die in der Pistole bis zur Zcrstäubungsstelle reicht und gewöhnlich auf ein Potential von etwa 50 bis 85 kV, mitunter sogar bis auf 150 kV, aufgeladen wird, damit eine Koronaentladung und sin zugehöriges elektrisches Feld entsprechender Größe er-

¹J zeugt werden. Im Strom der Koronaentladung werden Ionen erzeugt, die sich an die Farbtröpfchen anheften. Mit der Wirkung der elektrostatischen Kräfte werden Verluste an Farbe vermieden. Einerseits soll die durchschnittliche Ablagerungs-Feldstärke möglichst

ι» hoch, andererseits aber die Spritzgeschwindigkeit in der Nähe des Werkstückes so gering wie möglich sein, damit Farbverluste durch Vorbeispritzen am Werkstück auf einem Minimum gehalten werden. Insbesondere spielt dies eine Rolle, wenn eine sehr feine

π Zerstäubung der Farbe notwendig ist oder wenn es sich um eine schwer zu zerstäubende Farbe handelt.

Nach dem Stand der Technik ist es erforderlich,

zur Zuführung der Kochspannung an die Spritzpistole schwere und verhältnismäßig steife Verbindungska-

-¹O bei, die für die Hochspannung ausreichend isoliert sind, zu verwenden. Dies erschwert die Handhabung der Spritzpistole.

Aus der US-Patentschrift 3048498 sind Maßnahmen bekannt, mit denen durch Verwendung eines

>) Spannungsteilers die Neigung zur Bildung von Lichtbogen unterdrückt wird. Solche Widerstands-Spannungsteiler bieten zwar einen Schutz der Bedienungsperson bei unbeabsichtigtem Berühren der Hochspannungselektrode. Beim Versagen derartiger Wi-

tn derstände tritt dann aber diese Gefahr und die Gefahr sehr hoher Ionenströme, z. B. bis zu 100 und 200 μΑ auf, obwohl für das eigenltiche Aufladen der Farbe weniger als 10 μΑ benötigt werden. Zu hohe Ionenströme führen zu unerwünscht hoher Aufladung aller

j) Gegenstände, die nicht genügend geerdet sind. Dies ist eine weitere Gefahrenquelle.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spritzpistole zu schaffen, bei der unerwünschte Entladungen zwischen der Spritzpistole und dem Werk-

ID stück sowie hohe Ionenströme vermieden werden.
Diese Aufgabe ist mit der nicht vorbekannten elektrostatischen Spritzpistole des deutschen Patents 1907 530.. die dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 der vorliegenden Erfindung zugrunde gelegt

Γ) worden ist, in der Weise gelöst worden, daß der Hochspannungsgenerator als an sich bekannter elektrogasdynamischer Generator mit einem eine Gegenelektrode bildenden geerdeten, sich verengenden und wieder erweiternden, von Gas durchströmten Lei-

-,Ii tungsabschnitt ausgebildet ist. Dabei ist in der Nähe dieses Leitungsabschnittes eine nadeiförmige Elektrode als Ladungsgeber angeordnet, und der Hochspannungsgenerator mündet mit seinem ausströmenden Leitungsabschnitt in oder unmittelbar neben der

-,--, Zerstäuberdüse.

Die oben angegebene Aufgabe wird in anderer Weise gemäß der vorliegenden Erfindung mit der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen elektrostatischen Spritzpistole gelöst, die durch die'iin

M) Kennzeichen des Patentanspruches I angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zu dem Merkmal einer nadeiförmigen Kollektor-

(,.-, elektrode ist zu erwähnen, daß eine solche nach der US-Patentschrift 3417 267 zwar allgemein für einen elektrogasdynamischen Generator bekannt ist, jedoch nicht im Zusammenhang mit einer Spritzpistole.

Der bei der Erfindung und bei der Spritzpistole des älteren Vorschlags verwendete elektrogasdynamische Generator liefert die zur Aufrechterhaltung des elektrostatischen Ablagerungsfeldes erforderliche Spannung. Dieser Generator läßt sich mit geringem Raumbedarf aufbauen. Bei der Erfindung wird der Spritzpistole vorzugsweise geimpfte Luft zugeführt.

Vorzugsweise läßt sich ein solcher Generator als in der Spritzpistole auswechselbare Generatoreinheit ausbilden, wobei gemäß Ausgestaltungen der Erfindung unterschiedliche Ausbildungen des sich in Strömungsrichtung verengenden Leitungsabschnittes vorgesehen sind.

Dem elektrogasdynamischen Generator braucht nur eine relativ niedrige Erregerspannung zugeführt zu werden. Wie für einen derartigen Generator üblich, wird der zugeführten Druckluft Energie zur elektrogasdynamischen Energieumwandlung entnommen. Ein solcher Generator hat eine Kapazität, die bei Kurzschlußbedingungen keine hohen Strüme zuläßt. Der Generator arbeitet im wesentlichen trocken und erfordert z. B. zum Aufspritzen von Farbe nur geringe Mengen von üblichen, billigen Farblösungsmitteln als Impfstoff, der sich mit dem zerstäubten Farbstrahl verträgt und in einfacher und billiger Weise in die Einrichtung eingeführt werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Beschreibung der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer der Erfindung entsprechend ausgestalteten Spritzpistole,

Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt einer abgewandelten Ausgestaltung des bei der Spritzpistole nach Fig. 1 verwendeten elektrogasdynamischen Generators; der Generator nach Fig. 2 ist als auswechselbare Generatoreinheit vorgesehen,

Fig. 3 eine Abänderung zu Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik einer mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten elektrogasdynamischen Generator versehenen Spritzpistole,

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Versuchsvorrichtung, mit der die Werte der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ermittelt wurden,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Leistungscharakteristikeiner nach der Erfindung ausgebildeten Spritzpistole; diese graphische Darstellung gibt einen Leistungsvergleich mit einer vorbekannten Spritzpistole,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Stärke des Koronaentladungsstromes bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Spritzpistole, und zwar für verschiedene Drücke der Zerstäubungsluft,

Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Versuchsvorrichtung, mit der die Werte der graphischen Darstellung nach Fig. 7 ermittelt wurden,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Wirkung einer Abschirmelektrode an der Zerstäuberdüse, und zwar auf die Stärke des elektrostatischen Ablagerungsfeldes, und

Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Versuchsvorrichtung, mit der die Werte für die graphische Darstellung nach Fig. 9 ermittelt wurden.

Bei der in Fig. 1 als bevorzugtes Beispiel dargestellten Ausführungsform der Spritzpistole 28 sind im unteren Teil des Laufes 34 eine Verteilungsvorrichtung für die flüssige Farbe und im oberen Teil des

Laufes 34 eine Förder- und Führungsvorrichtung für die zugeführte Druckluft angeordnet, die sich auch durch den Handgriff 32 erstreckt und am unteren Ende desselben mit der Schlauchleitung 30 verbunden ist. Im Strömungsweg der Druckluft ist in dem aus isolierendem Werkstoff bestehenden Lauf 34 der durch den Druckluftstrom antreibbare elektrogasdynamische Generator 50 angeordnet, dem die Erregerspannung über den Handgriff 32 zugeführt wird. Die am vorderen Ende des Laufes 34 angeordnete Zerstäuberdüse bildet mit der Ladeelektrode einen Ladungsgeber 36, in dem bei der dargestellten Ausführungsform die Farbflüssigkeit durch direkte Einwirkung der Druckluft zerstäubt und das Aufladen der zerstäubten Farbtröpfchen herbeigeführt wird.

Damit an die Spritzpistole zur leichteren Handhabung nur zwei Verbindungsleitungen angeschlossen zu werden brauchen, sind die Schlauchleitung 30 und der zur Zuführung der Erregerspannung zu dem Generator 50 dienende Leitungsdraht 40, von dem in Fig. 1 nur noch das in den Griff 32 der Spritzpistole 28 hereinlaufende eine Ende zu sehen ist, in einem gemeinsamen Anschlußstück 56 zusammengefaßt. Hierzu ist der vorzugsweise aus einer isolierten Leitung bestehende Leitungsdraht im Innern der Schlauchleitung 30 angeordnet, in der die Druckluft mit einem Druck von etwa 1,4 bis 5,3 Kp/crrr oder höher zugeführt wird. Das gemeinsame Anschlußstück 56 ist in einer Anschlußbohrung 58 des Handgriffes 32 angeordnet, in die es herausnehmbar eingesetzt ist. In das obere Ende der Bohrung 58 ist eine Isolierhülse 60 eingesetzt, die eine federbelastete elektrische Kontaktvorrichtung mit einem axial beweglichen napfförmigen Kontaktglied 62 aufweist. Dieses Kontaktglied ist mit dem einen Ende eines inneren isolierten Stromleiters 66 verbunden, der zu dem Generator 50 führt. Die Federbelastung des Kontaktgliedes 62 wird durch eine Schraubenfeder 64 herbeigeführt, deren dem Kontaktglied abgewendetes Ende an einem Isolierstöpsel 65 befestigt ist. Das gemeinsame Anschlußstück 56 ist mit einer Zuführungshülse 68 verschen, in deren Wandung etwa auf halber Länge der Hülse mehrere Durchlaßöffnungen 70 für die zugeführte Druckluft angeordnet sind und die am oberen Ende mit einem Führungsbund 72 versehen ist, durch den hindurch das obere Ende 74 des Leitungsdrahtes 40 gleichachsig hindurchgeführt ist. Dieses obere Ende 74 ist von einer starren Isolierhülse 75 umschlossen, die in der Isolierhülse 60 herausnehmbar angeordnet ist, und endet mit einem elektrischen Kontaktglied 76, das in Berührung mit dem federbelasteten napfförmigen Kontaktglied 62 steht, wenn das Anschlußstück 56 mit seiner richtigen Lage in die Anschlußbohrung 58 eingesetzt ist. Die Zuführungshülse 68 ist beiderseits der Durchlaßöffnungen 70 gegenüber der Bohrung 58 durch Dichtungsringe 78 und 80 abgedichtet, so daß die durch die Durchlaßöffnungen 70 hindurchströmende Druckluft über eine öffnung 84 in eine Längsbohrung 90 des Handgriffes 32 geleitet wird. Beim Einsetzen des Anschlußstückes 56 in die Anschlußbohrung 58 wird die Spritzpistole 28 in der richtigen Weise sowohl mit der die Druckluft zuführenden Schlauchleitung 30 als auch mit dem Leitungsdraht 49 und damit mit der Erregerquelle für den elektrogasdynamischen Generator 50 verbunden. Das Anschlußstück 56 wird in der Anschlußbohrung 58 mittels einer Stellschraube 82 gehalten.

Die Längsbohrung 90 des Handgriffes 32, die am

unteren Ende durch einen Schraubstöpsel 92 verschlossen ist, mündet in eine Querbohrung 94 des Handgriffes, in der ein mittels eines Druckgliedes 96 von Hand zu betätigendes Ventil zur Weiterleitung der Druckluft zu dem elektrogasdynamischen Generator 50 und zur Zerstäuberdüse 36 angeordnet ist. Das Ventil weist einen Ventilkörper 98 auf, der in dem offenen Ende der Querbohrung 94 z. B. durch Verschrauben befestigt und mit einem nach innen gerichteten axialen Schaft 106 versehen ist. Dieser bildet einen ringförmigen Ventilsitz 104 und mehrere an diesem angeordnete radiale Durchlaßöffnungen 110, die mit einer Bohrung 112 in Verbindung stehen. Das Ventil ist ferner mit einem beweglichen, pfropfenförmigen Verschlußkörper 100 versehen, der durch eine Feder 102 in seiner Verschlußstellung belastet ist und entgegen der Wirkung dieser Schließfeder in seine Offenstellung mittels einer Schubstange 108 verschiebbar ist, die durch den Ventilkörper 98 durch einen Verschlußstöpsel mit Dichtung 88 hindurch nach außen ragt und mittels des Druckgliedes 96 bewegbar ist. Die Betätigung des als Schwenkhebel ausgebildeten Druckgliedes im Uhrzeigersinn ruft eine axiale Verschiebung der Schubstange 108 entgegen der Wirkung der Schließfeder 102 nach innen hervor, wodurch der Verschlußkörper 100 von dem Ventilsitz 104 abgehoben wird. Aus der Längsbohrung 90 des Handgriffes 32 kann dann Druckluft durch die Durchlaßöffnungen 1110 hindurch in die Bohrung 112 einströmen, die mildern Einlaßende des elektrogasdynamischen Generators 50 in Verbindung ist und diesem die Druckluft zuführt.

Bevor die Ausbildung und Wirkungsweise des Generators 50 und die Weiterleitung der Druckluft zu der Zerstäuberdüse 36 näher erläutert wird, ist nachstehend zunächst die in der Spritzpistole 28 angeordnete Verteilungsvorrichtung 46 für die flüssige Farbe beschrieben. Diese Verteilungsvorrichtung, die zur geregelten Zuführung der Farbe oder des sonstigen Überzugsmaterials an die Zerstäubungsstelle dient, ist im wesentlichen bekannter Art. Die flüssige Farbe aus dem Farbzuführungsschlauch 24 wird der Spritzpistole 28 durch einen Anschlußstutzen 122 zugeführt, der am unteren Rand des Laufes 34 angebracht ist und mit einer kurzen Querbohrung 126 des Laufes in Verbindung steht, die ihrerseits in eine Längsbohrung 128 des Laufes mündet. Im vorderen Ende der Längsbohrung 128 des Laufes mündet. Im vorderen Ende der Längsführung 128 ist ein Düsenkörper 130 angeordnet, dessen konischer Teil mit einem kurzen zylindrischen Auslaßende 120 für die flüssige Farbe versehen ist. Der Düsenkörper 130 besteht aus elektrisch leitendem Werkstoff und weist einen äußeren Ringflansch 131 auf, der an dem Stirnende 168 des Laufes 34 anliegt. In dem Düsenkörper 130 ist gleichachsig mit dem zylindrischen Auslaßende 120 derselben eine Ventilnadel 132 verschiebbar angeordnet, die den Auslaßquerschnitt der Düse bestimmt. Die Ventilnadcl 132 ist am vorderen Ende eines Einstellschaftes 134 angeordnet, der im vorderen Ende der Bohrung 128 von einer balgenartigen Dichtung 136 zur Begrenzung des Zutritts von flüssiger Farbe unter Druck in das vordere Ende der Bohrung 128 umgeben ist. Der Einstellschaft 134 geht nach hinten zunächst durch einen im Durchmesser verringerten Zwischenteil 144 und dann durch einen Abschnitt 146 von größcrem Durchmesser hindurch und ist mit seinem hinteren Ende mit einem Kupplungsstiick 138 aus Isolierstoff verschraubt, das vom hinteren Ende des Abschnittes 146 aus in diesen hineinragt. Das Kupplungsstück 138 ist seinerseits mit einem axial verschiebbaren Schaft 135 verbunden, der einen Teil der das Druckglied 96 enthaltenden Betätigungsvorrichtung 140 bildet. Der Schaft 135 ragt in eine hülsenförmige Einstell- und Anschlagschraube 148 hinein, die eine Belastungsfeder 148 zur Begrenzung des Ausmaßes der Verschiebung des Schaftes 135 umgibt und

κι zur Einstellung der Kraft der Belastungsfeder für den dichten Abschluß des Düsenkörpers 130 durch die Ventilnadel 132 dient. Beim Betrieb der Spritzpistole 28 führt das Verschwenken des Druckgliedes 96 im Uhrzeigersinn eine Verschiebung des Schaftes 135 entgegen der Wirkung der Feder 148 nach hinten herbei, wodurch auch der Einstellschaft 134 und mit ihm die an ihm befestigte Vcntilnadel 132 nach hinten verschoben und das Auslaßende 120 des Düsenkörpers 130 für den Austritt von flüssiger Farbe geöffnet wird.

2(i Im oberen Teil des Laufes 34 ist eine verhältnismäßig weite Längsbohrung 156 zur Aufnahme des elektrodynamischen Generators 50 angeordnet, in dem die zum Aufladen der Farbtröpfchen der zerstäubten Farbflüssigkeit und zum Erzeugen des elcktrostati-

i^r> sehen Ablagerungsfeldcs notwendige elektrische Energie aus der direkten Umwandlung der kinetischen Energie des das Keim- bzw. Impfmaterial enthaltenden Druckluftstromes in der Spritzpistole gewonnen wird. Bei der dargestellten Ausführungsform

in wird die Druckluft, sobald das Druckglied 96 betätigt wird, über die Bohrung 112 einem den Einlaß des Generators 50 bildenden Abschnitt 114 zugeleitet, der einen verhältnismäßig großen Durchlaßquerschnitt aufweist und in dem daher eine relativ geringe

r. Strömungsgeschwindigkeit und ein nur geringer Druckverlust entsteht. In dem Einlaßabschnitt 114 isl eine Halterungshülsc 190 aus Isolierstoff angeordnet, durch die eine zu ihr gleichachsige nadeiförmige Ionisierelektrode 124 in ihrer richtigen Lage zu einem sie

w umgebenden, konischen Leitungsabschnitt 192 und einer ringförmigen Anziehungselektrode 194 gehalten wird. Die Halterungshülse 190 dient zugleich zui Halterung des Leiters 66, der bei der dargestellter Ausführungsform mit der nadeiförmigen Ionisier-

4·-, elektrode 124 verbunden ist. In dem konisch sich verengenden Bereich des Leitungsabschnitts 192, dei durch eine Isolierstoffhülse 193 mit diesem konischer Innenraum gebildet ist, wird der Durchlaßquerschniti für die Druckluft stetig verringert und die Strömungsart) geschwindigkeit der Druckluft auf die Anziehungselektrode 194 zu erhöht. Nach dem Durchgang durch die Anziehungselektrode gelangt die Druckluft in einen Längskanal 158 von verhältnismäßig klcinerr Querschnitt, der in Strömungsrichtung allmählich et-

γ, was weiter werden kann und in dem bei den herrschenden Druckverhältnissen die Strömungsgeschwindigkeit erheblich größer als im Einlaßabschnit 114 ist. Im Interesse einer guten Nutzleistung sollte sie vorzugsweise etwa der Schallgeschwindigkeit ent-

_b(l sprechen. Die aus dem Längskanal 158 austretende Druckluft trifft auf eine vorgeschaltete nadelförmigc Kollektorelektrode 198 auf, die an einem Piropfcr 196 angebracht ist. Die Druckluft expandiert dann ir der Bohrung 156, so daß sie mit verringerter Gc-

_h5 schwindigkeit dem Auslaßkanal 160 zuströmt. Die Kollektorclektrode 198 ist durch einen Leiter 200 di rekt mit dem Düsenkörper 130 verbunden, der all Ladeelektrode dient.

Der Auslaßkanal 160 sieht in Verbindung mit einem Zerstäuhungsluftkanal 162 und einem davon getrennten Fächerluftkanal 164, die beide in Längsrichtung des Laufes 34 nach vorn verlaufen und am vorderen linde 163 desselben enden. Die beiden Kanäle 162 und 164 haben einen relativ kleinen Querschnitt, der so bemessen ist, dall die zur Zerstäubung erforderliche mit einer Einstellschraube geregelte Druckluft mit der richtigen Geschwindigkeit zugeführt wird. Die Kanäle 162 und 164 münden an voneinander getrennten und in radialer Richtung auf der Außenseite des Ringflansches 131 des Düsenkörpers 130 liegenden Stellen, die durch eine aus Isolierstoff bestehende Kappe 170 überdeckt sind. Diese Kappe ist mittels eines Sehraubringes 172 einstellbar und abnehmbar am vorderen linde des Laufes 34 befestigt und enthält eine erste Gruppe von nach vorne schräg auf die Längsachse des Laufes zu gerichteten Kanälen 174, die mit dem Fächcrluftkanal 164 in Verbindung stehen und deren Auslaßenden an einer oder mehreren Stellen vorder Düse 130 mit im größeren Winkel zur Längsachse geneigten Verzweigungen versehen sind, um, Fächerluftstrahlen zur Formgebung des zerstäubten Farbstrahles zu bilden. Außerdem ist die Innenfläche der Luftkappe 170 gegenüber dem vordeicn linde 163 des Laufes 34 so gestaltet, daß sie mit diesem vorderen linde einen Raum bildet, in den der Zerstaubungsluftkanal 162 mündet und der zur Überleitung der aus dem Kanal 162 austretenden Zerstäuhungslufl zu einer oder mehreren Öffnungen dient, die um das zylindrische Auslaßende 120 des Düsenkörpers 130 herum angeordnet sind und die Zcrstäubungsluft zur unmittelbaren Einwirkung auf die aus dem Düsenkörper austretende flüssige Farbe bringen.

Heim Betrieb der Spritzpistole wird der Ionisicrelektrode 124 über die Leitungen 40 und 66 cine Erregerspannung in der Größenordnung von etwa 5000 Volt zugeführt und hierdurch die Bedingung für eine Koronaentladung geschaffen, deren Entladungsstrom in dem Ringspalt zwischen der Spitze der nadclförmigcn Ionisierelektrodc 124 und der ringförmigen Anzichungselektrode 194 fließt. Gleichzeitig strömt Druckluft aus der Bohrung 112 über den Einlaßabschnilt 114 in den sieh verjüngenden Teil der Hülse 190 zu der Anziehungsclektrodc 194 und mit zunehmender Geschwindigkeit durch den Entladungsbereich hindurch. Die Koronaentladung bewirkt eine Kondensation wenigstens eines Teiles des der Druckluft in einem nicht dargestellten Dampftopf zugcmischten Impfdampfes zu außerordentlich kleinen Tröpfchen, die die in dem Entladungsbcrcich vorhandenen einpoligen Ionen umgeben. Die Ionen, um die herum der Impfdampf kondensiert, werden hierdurch schwerer beweglich und werden in dem Druckluftstrom fest- oder nahezu festgehalten, mit dem sie dann aus dem Entladungsbercich durch die ringförmige Anziehungsclektrodc 194 hindurch herausgetragen werden und in dem Längskanal 158 des elcktrogasdynamischen Generators 50 mit großer Geschwindigkeit weiterströmen, die, wie bereits bemerkt, z. B. der Schallgeschwindigkeit entsprechen kann. Die in dem Druckluftstrom enthaltenen Ionen werden an der Kollcktorclcktrodc 198 gesammelt und erhöhen das Potential derselben auf außerordentlich hohe Werte. Auf diese Weise werden an der Kollektorclcktrodc 198 sehr hohe Gleichspannungen erzeugt, die über den Leiter 200 auf die Spitze des Diisenkörpers 130 übertragen werden. Dieser erfüllt den doppelten

Zweck, als Spritzdüse und zugleich als Ladeelektrode für die elektrostatische Ablagerung zu dienen. Die Erzeugung solch hoher Spannungen an der Spitze des Diisenkörpers 130 führt zu einer Koronaentladung an dieser Spitze und zu einem dicht an der Zerstäubungsstelle gebildeten Bereich mit einem hohen Gehalt an einpoligen Ionen, die sich selbst an die zerstäubten Farbtröpfehen anheften und diese aufladen. Die Spitze des Düsenkörpers 130, der in der erläuterten Weise aufgeladen ist, bildet somit das eine Ende eines elektrostatischen Ablagerungsfeldes, dessen andere« Ende durch den zu überziehenden geerdeten Gegenstand gebildet ist.

Durch den in nicht vorbekannter Weise in der Spritzpistole angeordneten elcktrogasdynaniischen Generator 50 wird nicht nur die Verwendung der gemäß dem Stand der Technik notwendigen großen und schweren Hochspannungsquellen mit den schweren und steifen Kabeln, die zur Verbindung der Ladeelektrode mit der Spannungsquclle notwendig sind, vermieden, sondern auch eine bei bisher bekannten Farbspritzanlagcn nicht erreichte vorteilhafte Bc triebscharaktcristik gewährleistet. Zum besseren Verständnis einer solchen vorteilhaften Charakteristik ist nachstehend die Ausbildung und Wirkungsweise von clektrogasdynamischen Generatoren und insbesondere des erfindungsgemäß gebauten Generators 50 näher erläutert.

Bei einem cleklrogasdynamischcn Generator der beschriebenen Art erfordert die Einleitung der Koronaentladung am Einlaßende des Längskanals 158 verhältnismäßig niedrige Erregcrspannungen von z. B. etwa 5000 Volt, um an der Kollcktorclcktrodc 198 sehr hohe Spannungen zu erzeugen. Der Ladestrom und die Spannung können deshalb viel höher sein als die Erregerspannung, weil die erzeugte elektrische Energie aus der kinetischen Energie des Druckgasbzw. Druckluftstromes gewonnen wird, die die notwendige Arbeit verrichtet, indem sie die Ionen in dem Längskanal 158 von der ringförmigen Anziehungsclektrodc 194 entgegen der Wirkung des elektrischen Feldes zu der Kollcktorclektrode 198 treibt. Wenn auch bei dem beschriebenen Energieerzeuger die Eiregcrspannung der Ionisierelektrodc 124 zugeführt wird und die ringförmige Anzichungsclcktrode 194 geerdet ist, so kann dies auch umgekehrt und der Generator mit geerdeter Ionisierelektrodc und mit aufgeladener Anziehungselektrode betrieben werden, wenn die hierfür notwendigen Änderungen hinsichtlich der Spannungszufülirung sowie der Isolierung usw. vorgenommen werden. Die maximale Ausgangsspannung des Generators ist im wesentlichen durch die Durchschlagspannung bestimmt, bei der ein elektrisches Durchschlagen zwischen der Kollcktorclcktrodc und Erde erfolgt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 findet ein solches Durchschlagen zwischen der Kolleklorelcktrodc und der Anziehungselektrode entlang der Wandung des Längskanals 158 statt. Die Länge dieses isolierten Längskanals bietet daher ein Maß für die Größe der durch den Energiccrzeuger ermöglichten Maximalspannung. Je nach den Erfordernissen des gewünschten Verwendungszweckes können daher verschiedene Generatoren angewendet werden, wenn diese gemäß der Erfindung aufgebauten Generatoren als auswechselbare Gcncratoreinheiten ausgebildet sind.

In Fig. 2 ist eine verbesserte Ausführungsform einer solchen Gcncraloreinhcit dargestellt, die bei ge-

ringer Größe die Anwendung von in der Nahe der Schallgeschwindigkeit liege...'... Γ. :.";;·.-. „.;₆..₆>. schwindigkeiten in dem Liing>kunal ermöglicht und für einen weiten Bereich ν .-■··;■'■··; ·>■·:>■ drücke und Ströimingsgeschwindigkeitcn eine gute l.eistungscharakteristik zeigt. Wie im Zusammenhang mit Fig. I beschrieben, ist auch dieser Generator mit einer nadeiförmigen lonisierelektrode 124 versehen, die koaxial zu dem durch die Isolierstoffhülse 212 gebildeten Längskanal 158 angeordnet und hierzu durch die ebenfalls aus Isolierstoff bestehende Halterungsluilse 190 in der richtigen Lage gehalten ist. Die Ionisierelektrode 124 ragt durch den konischen Leitungsabschnitt 192 hindurch bis in die ringförmige ■Xnziehungselektmde 194 hinein. Vorzugsweise sind alle diese Teile so gestaltet, daß sie auswechselbar sind und beim Einsetzen immer ihre richtige Lage einnehmen. Bei dieser Ausführungsform wird die Erregerspannung an die ringförmige Anziehungselektrode 194 angelegt, während die lonisierelektrode 124 geerdet ist. Bei richtiger Anordnung kann beinahe der gesamte Stromfluß von der lonisierelektrode 124 mit dein Druckluftstrom zu der Kollektorelektrode 198 getragen werden, wodurch die erforderliche Generatorenergie auf ein Mindestmaß verringert wird, weil unter solchen Bedingungen der in den Generatorkreis fließende Strom sich dem Wert Null nähert. Wie bereits erwähnt, ist der Generator 50 so ausgebildet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft in dem I.ängskanal 158etwa gleich der Schallgeschwindigkeit ist, wodurch bei geringem Druckverlust eine hohe Nutzleistung erreicht wird. Außerdem sind die unmittelbar an der ringförmigen Anziehungselektrode 194 angeordneten Teile dieser Ausführungsform des Generators 50 so gestaltet, daß in der den Strönuingsweg der Druckluft am Umfang begrenzenden Wandung eine oder mehrere scharfe Kanten gebildet sind, die wenigstens eine vorstehende Fläche bilden, die dem Gas- oder Luftstrom entgegenstellt. Dies kann /.. B. dadurch erreicht werden, daß der Innendurchmesser am Auslüftende des konischen Leitungsabschnittes 192 größer gehalten wird als der Innendurchmesser der ringförmigen Anziehungselektrode 194 und hierdurch eine zur Längsachse des Generators rechtwinklig vorspringende Ringschulter gebildet wird. Weiterhin kann zwischen der Anziehungselektrode 194 und dem Auslaßende des konischen Leitungsabschnittes 192 eine Ringnut 220 angeordnet werden, die auf eine kurze Strecke einen plötzlich erweiterten Querschnitt bildet. Auch kann statt der Ringnut 220 oiler zusätzlich zu dieser zwischen der Anzielumgselektrode 194 und dem Längskanal 158 eine zweite Ringnut 216 angeordnet werden, deren Durchmesser erheblich größer als der Innendurchmesser der Anziehungselektrmle und des Lüngskanals ist. Auch kann der Innendurchmesser des Längskanals 158 etwas größer sein als der Innendurchmesser der Anziehungselektrode 194. Schließlich kann der Längskanal 158 so ausgebildet sein, daß sein DurchlaBquerschnilt ir Strömungslichtung der Druckluft etwas zunimmt, damit in der Nähe der Anziehungselektrode 194 eine elwa oder beinahe der Schallgeschwindigkeit entsprechende Strömungsgeschwindigkeit beibehalten wird. Die erwähnten scharfkantigen Unregelmäßigkeilen hiklcn in der den Gas- oder Luftstrom am Umfang begrenzenden Wandung des Generators plötzliche Unterbrechungen und Störungen in der stromlinienförmigen Führung und rufen in dem durch die ringförmige Anziehungselektrode 194 hindurchgehenden

158 eine starke Turbulenz hervor, die verringert oder i"".i..rt ,{,,κ, in ili'ii Wanduniisteilen in der Anzie-Iningselcktrode und i.i dein Längskanai feinen..... .>...

langsamer strömendem Gas bzw. Luft entstehen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Kantenbildung im Bereich der ringförmigen Anziehungselektrode 194. Bei dieser Ausführungsform sind an der Innenfläche des in Fig. I konischen Leitungsabschnittes 192 statt dessen mehrere aufeinanderfolgende Stufen oder Ringschultern 218 ausagebildet, die die erwünschten scharfkantigen Unterbrechungen sind.

Mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektrostatischen Spritzpistole nach Fig. 1 und 2, die mit einer etwa der Schallgeschwindigkeit entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft im Längskanal 158 arbeitet, wurden bei folgenden, heispielsweise angegebenen Betriebsdrücken und Abmessungen erheblich verbesserte Leistungen erzielt: Druck der Druckluft 1,4 bis etwa 7 Kp/cnr Anziehungs- Innendurchmesser etwa 3 mm

elektrode 194 Länge etwa 4,5 mm

Konischer Über- Innendurchmesser am Einlaßgangsabschnitt 192 ende etwa 6,6 mm

Innendurchmesser am Auslaßende etwa 3,K mm Länge etwa 10,4 mm

Ringnut 220 Tiefe 0,8¹J mm bei einem

Durchmesser von etwa 7,6 mm
Ringnut 216 Tiefe 1,5 mm bei einem

Durchmesser von N,l mm Längskanal 158 Innendurchmesser etwa

3 mm bei 76 mm Länge mit 0,2 mm Divergenz

Die isolierenden Teile, insbesondere die den konischen Ühergangsabschnitt 192 bildende Hülse sowie die den Längskanal 158 bildende Hülse 212 und die Halterungshülse 190 für die lonisierelektrode 124 (wenn dieser die Erregerspannung zugeführt wird) besteht aus Isolierstoffen hoher Durchschlagfestigkeit.

Ein entsprechend den vorstehenden Angaben ausgebildeter Generator ermöglicht eine hohe Span nungsleislung über einen weiten Druckbereich und liefert einen Strom bis zu etwa 60 jiA. Das angenäherte Verhältnis Strom zu Spannung wurde für einen solchen Generator experimentell unter Verwendung einer Funkenstrecke als Belastung mit einer der Fig. 5 entsprechenden Vorrichtung bestimmt. Hierzu wurde der Düsenkörper 130 einer mit einem erfindungsgemäßen elektrogasdynamischen Generator versehenen Spritzpistole 28 in unmittelbare Nähe mit einer isolierten Kugel 230 mit einem Durchmesser von etwa 7(i nun gebracht, mit der eine geerdete Kugel 232 von gleichem Durchmesser zunächst in Berührung war. Die geerdete Kugel 232 wurde dann langsam von der Kugel 230 wegbewegl, so daß zwischen den beiden voneinander getrennten Kugeln eine Funkenstrecke gebildet wurde. Der durch diese Funkenstrecke hindurchgehende Strom wurde mit einem Meßgerät 234 gemessjn, das in die Erdleitung der Kugel 232 eingeschaltet war. Zur Milderung von Stromstößen und zur Verhütung von Störungen des Meßgerätes war in Parallelschaltung mit (.Icin Meßgerät ein Kondensator 236 angeordnet. Durch Messung der Größe des Stromes

;ils Funktion ilcr Lunge der Funkenstrecke konnte die Siiannunns-Stronikurvc gemäß Fig. 4 erniiüHt werden. Dies zeigt, daü ine Mroiiisunki;, Ji*. ->^... :

ihren) Maximalwert relativ klein ist, mit zunehmender Spannungh/w. hiermit zunehmender Lunge der Fun-

Messingstah von 1,2 mm Durchmesser, über eine Funkenstrecke bekannter Lunge übertragenen Koro- -" «unnliMi η· :tels «ines Meßgerätes 258 gemessen. Wie Fig. / f'Ci^i, lieici! c!ie vnmami.:_h i·«.! allen angegebenen Abstünden /wischen dem Stab 256

Fig. 6 ist die Leistung einer geniiiU der Erfindung mit einem elektrogasdynamischen Clenerator versehenen Spritzpistole im Vergleich zur Leistung einer zum elektrostatischen Aufspritzen von Überzügen dienenden Spritzpistole der Firma Eclipse Equipment Company of Fairfield, New Jersey, gezeigt, die eine übliche elektronische dS-Kilovolt-Stromquelle mit einem Begrenzungswiderstand zeigt.

Aus Fig. 6 ergibt sich, daß der Kurzsehlußstrom bei der Spritzpistole gemäß der Erfindung erheblich schwächer ist als der Kurzschlußstrom bei dieser bekannten Spritzpistole, und daß die Leerlaufspannung (wiederum als Länge der Funkenstrecke gemessen) für die Spritzpistole nach der Erfindung erheblich höher ist als bei der bekannten Spritzpistole. Fig. (S zeigt auch, daß durch die Anordnung eines durch den geimpften Druckgas- bzw. Druckluftstrom einer Spritzpistole betriebenen elektrogasdynamischen Generator, ausgestaltet gemäß der Erfindung, im wesentlichen eine Quelle mit konstantem Strom gebildet wird. Bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Spritzpistole wird der Ausgangs- bzw. Leistungsstrom durch die Eigenschaften des elektrogasdynamischen Generators begrenzt, wobei dessen auftretende Kapazität ebenfalls so gering ist, daß keine besonderen zusätzlichen Vorsichtsmaßregeln notwendig sind, um die maximale Energie der Funken zu begrenzen, die aus der Ladeelektrode gezogen werden können, wenn die Spritzpistole dicht an den geerdeten Gegenstand gebracht wird. Dabei ist es nicht notwendig, die Geschwindigkeit, mit der die Spritzpistole dem Gegenstand genähert wird, zu berücksichtigen, wie dies bei bekannten Ausbildungen erforderlich ist.

Einer der Hauptvorteile der Erfindung besteht darin, daß der in der Spritzvorrichtung angeordnete elektrogasdynamisch^ Generator eine Spannungsimd Stromleistung einer Größe liefert, die mit der Strömungsgeschwindigkeit der geimpften Zerstäubungsluft veränderlich ist, wodurch der Abfall der elektrostatischen Ablagerungsleistung, der bei bekannten Spritzvorrichtungen dieser Art eintritt, wenn tue Strömungsgeschwindigkeiten der flüssigen Farbe und der Druckluft erhöht werden, auf ein Mindestmaß verringert wird. Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Spritzpistole ruft eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit der geimpften Zerstäubungsluft eine Erhöhung der Durchströmgeschwindigkeit in dem Generator und hierdurch eine erhöhte Strom- und Spannungsleistung hervor, die mit einer entsprechenden Erhöhung der durchschnittlichen Feldstärke des erzeugten elektrostatischen Ahlagerungsfeldes verbunden ist.

In Fig. 7 sind die Änderungen lies Koronaslromes bei verschiedener Länge der Funkenstrecke für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten in einer graphischen Darstellung gezeigt, deren Werte mit einer Vorrichtung nach F'ig. S ermittelt wurden. Bei dieser Vorrichtung befand sich die Spritzdüse einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Spritzpistole i:i unmittelbarer Nähe einer isolierten Kugel 254 von etwa 152 mm Durchmesser, u.xl die auf eine geerdete Sonue 256, vorzugsweise einen quadratisch geschnittenen mit steigendem Druck der Zerstäubuiigsdrucklult zunehmende Koronaströme. Zum Vergleich hiermit ist die gestrichelte Kurve 260 eingetragen, welche die Leistung der im Zusammenhang mit F'ig. b erwähnten bekannten Spritzpistole wiedergibt. Aus dieser Kurve ergibt sich, daß die Koronaströnie bei kürzerer Funkenstrecke erheblich größer sind, aher bei größer werdender Funkenstrecke erheblich unter diejenigen bei der Vorrichtung nach der Erfindung absinken. Die höhere Spannungsleistung, die durch die Erfindung erreicht wird, findet somit auch durch Fig. 7 ihre Bestätigung.

In der Pistole kann, wie vorstehend beschrieben, die gesamte, in dem Dampftopf geimpfte Druckluft durch den elektrogasdynumischen Generator hindurchgehen. Es kann aber auch nur ein Teil diesel Druckluft für den Generator verwendet werden, indem der Druckluftstrom vor dem Eintritt in den Generator in einen Zerstäubungsluftstroin und in einen Fächerluftstrom aufgeteilt wird. Auch kann ein I eil der Druckluft vorher über einen elektrogasdynamisehen Generator in die Atmosphäre an einer Stell· geleitet werden, die von der Zerstiiubungsstelle entfernt ist, um z. B. einen den Lauf der Spritzpistole umgebenden und sich vorwärts bewegenden Mantel zu bilden, der verhindert, daß sich langsam bewegende geladene Teilchen zu dem Handgriff zurückwandern.

In allen diesen Fallen ist die Leistung des Generators von der Strömungsgeschwindigkeit der /ugeführten Druckluft abhängig, um proportionale Änderung der durchschnittlichen Ablagerungs-Feldstärke ties erzeugten elektrostatischen Feldes mit den anderen erwünschten Eigenschaften zu erreichen.

Weiterhin besteht bei Anwendung der Erfindung der Vorteil, daß irgendeine »Gegenelektroden«-Wirkung, wie sie hei bekannten Einrichtung zur Aulrechterhaltung einer größeren Feldstärke im Bereich der Farhladeelektrode bei niedrigeren Ladepotentia len und insbesondere dann notwendig ist. wenn die Ladeelektrode in relativ großem Abstand von dem Werkstück angeordnet ist, völlig entfällt. Wenn auch die Wirkung solcher »Gcgenclcktrodenx-Aiiordnungen bei Spritzpistolen, die mit üblichen elektronischen Energiequellen arbeiten, und bei denen die praktisch brauchbaren Ma.ximalspannungen M) Kilovolt kaum überschreiten, nützlich sein mag, so ist sie bei Spritzpistolen mit clcktrogasdynamischcm Energiegenerator mit ihrer Fähigkeit, größere Spannungen zu erzeugen, und mit ihrer niedrigeren Stromkapazität nicht not wendig. Eine solche »Gegenelektrode« kann durch einen geerdeten Handgriff der Spritzpistole gebildet werden, und da die Spritzpistole vorzugsweise einen geerdeten Handgriff zum Schul/, der Bedienungsperson besitzt, müßten die Mittel zum Abschirmen der Ladeelektrode auch so sein, daß sie die möglichen schädlichen Wirkungen ihrer Anordnung verringern, wenn nicht verhindern. Dagegen wurde gefunden, daß die Anwendung einer solchen Abschirmelektroile ilen Betrieh einer kompakten eleklrogasdynamischen llandspritzpistole oder einer automatischen Spritzpistole nach der Erfindung bei Spannu ngen ermöglichen kann, die erheblich größer als die üblicherweise vei-

wendeten Spannungen sind.

Der Hinfluß der Abschirmelektrode auf die Stärke des Ablagerungsfeldes /wischen der Spritzvorrichtung und dem Werkstück ist aus Fig. y ersichtlich. Diese gibt die gemessenen Werte der Stärke des Ablageiiinusleldes bei verschiedenen Abständen der Spritzpistole von dem Gegenstand wieder, wobei diese Werte gcmäU Fig. 10 mit einem das elektrostatische Feld messenden Meßgerät 242 ermittelt wurden, das /wischen einer Sonde 244 und Hrde angeordnet war. Die verwendete Spritzpistole 246 war in der vorstehend erläuterten Weise gemäß der Erfindung ausgebildet. Die beiden Kurven in Fig. 9 zeigen deutlich die bei der Anwendung einer Abschirmeleklrode wesentlich erhöhte Betriebsspannung und damit auch die entsprechend vergrößerte Feldstärke. Die Abschirmeleklrode kann in bezug auf Form und Anordnung geändert werden, um auch eine größere Zunahme der

Stärke des Aiilagerungsfelds herbeizuführen. Im all gemeinen wird die Gestaltung einer solchen Iilektrodi im wesentlichen von der Gestaltung der Ladeelektrode und der Gestallung der Vorrichtung an der Zer stäubungsstelle bestimmt, wobei gewisse Beschränkungen durch praktische Belange, wie Verniciduiif der Interferenz mit dem Strom der Fächerluft odei der Zersläubungsluft oder mit dem erzeugten Spritzmusler, bestehen.

Wie bereits erwähnt, dient der Düsenkörper 13( und insbesondere das zylindrische Auslaßende 12( desselben mil der Austrittsöffnung für die Farbe al· Ladeelektrode. Fs können jedoch auch anders gestaltete Ladeelektroden bekannter Art, z. B. auch nadel förmige Hlektroden, verwendet werden. Auch kam die von dem eleklrogasdynamischen linergieer/eugei erzeugte Spannung der flüssigen Farbe schon vor dei I'arbdüse iiboriniltelt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrostatische Spritzpistole, mit einem in der Pistole zur Aufladung des zu versprühenden Materials angeordneten Hochspannungsgenerator, der als elektrogasdynamischer Generator mit einem von Gas durchströmten und die Anziehungselektrode enthaltenden Leitungsabschnitt ausgebildet ist, welcher sich zu einem engsten Leitungsstück verengt, an das sich ein Längskanal anschließt, wobei in der Nähe des erwähnten Leitungsabschnittes eine nadeiförmige Ionisierelektrode als Ladungsgeber angeordnet ist, und wobei der einen Ladungskollektor aufweisende Längskanal mit der Zerstäuberdüse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur das engste Leitungsstück die Anziehungselektrode (194) enthält, daß der sich verengende Bereich des Leitungsabschnittes (192) von einer Isolierstoffhüls'e (193) gebildet ist, und daß der Ladungskollektor von einer koaxial zu dem Längskanal (158) angeordneten nadeiförmigen Kollektorelektrode (198) gebildet ist.

2. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Längskanal (158) durch den Innenraum einer aus Isolierstoff bestehenden Hülse (212) gebildet ist, die unter Bildung eines freien im Querschnitt ringförmigen Zwischenraumes in eine weite Längsbohrung (156) des Laufes hineinragt, die am vorderen Ende durch den die Sprühdüse (36) enthaltenden Teil des Laufes verschlossen ist und am hinteren Ende mit einem Querkanal (160) verbunden ist, der zur Weiterleitung des durch das verschlossene vordere Ende der weiten Längsbohrung in der Strömungsrichtung umgelenkten Gases als Zerstäubungsgas durch einen Verbindungskanal (162) mit der Sprühdüse verbunden ist.

3. Spritzpistole nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nadeiförmige Kollektorelektrode (198) trennbar von dem elektrogasdynamischen Generator an der Spritzpistole befestigt und elektrisch mit einer Ladeelektrode (120, 130) verbunden ist, welche von mindestens einem Teil der Sprühdüse (36) gebildet ist.

4. Spritzpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrogasdynamische Generator als in einer Längsbohrung (156) des Pistolenlaufes auswechselbar angeordnete Einheit ausgebildet ist, und daß die nadeiförmige Kollektorelektrode (198) am vorderen, verschlossenen Ende der Längsbohrung (156) des Pistolenlaufes (34) bleibend angeordnet ist.