DE3705815A1 - Elektrostatische spruehpistole - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrostatische Sprühpistole mit einem Sprühkopf aus elektrisch isolie­ rendem Werkstoff, der eine Material-Austrittsöffnung und mindestens eine Hochspannungselektrode trägt, mit deren Hilfe das Material nach dessen Austritt aufgeladen wird.

Bei einer bekannten Sprühpistole dieser Art (DE-AS 24 46 022) weist der Sprühkopf eine ebene Stirnfläche auf, in der zentrisch eine Düsenbohrung als Material-Aus­ trittsöffnung und auf einem konzentrisch hierzu angeord­ neten Kreis eine Anzahl von Düsenbohrungen als Zerstäuber­ luft-Austrittsöffnung vorgesehen sind. Auf einander gegen­ überliegenden Seiten stehen zwei Hörner vor, in denen sich Hilfsluft-Austrittsöffnungen befinden, die von bei­ den Seiten her Hilfsluft zur Verbesserung der Zerstäubung oder zur Formung auf das austretende Material richten. In mindestens einer Hilfsluft-Austrittsöffnung oder in deren unmittelbarer Nähe befinden sich ein oder mehrere Hochspannungselektroden, die um mehrere Millimeter aus der Oberfläche des aus elektrisch isolierendem Werkstoff bestehenden Sprühkopfes vorstehen. An diesen Elektroden wird Hilfsluft oder durch Hilfsluft aus der Umgebung angesaugte Sekundärluft ionisiert. Wenn diese Luft an­ schließend mit dem Material in Berührung kommt, wird die Ladung an Materialtröpfchen abgegeben, so daß diese beim Weiterflug dem Verlauf der elektrostatischen Feld­ linien folgen können. Bei dieser Sprühpistole ist die Auftreffstelle der ionisierten Luft auf das Material durch die Hauptfunktion (Zerstäubung oder Formung) vorge­ geben.

Es ist auch schon eine elektrostatische Sprühpistole bekannt (US-PS 37 64 068), bei der insgesamt sechs Hoch­ spannungselektroden etwa gleichmäßig verteilt auf einem Kreis angeordnet sind, der sich um eine ringförmige Mate­ rial-Austrittsöffnung und eine diese konzentrisch umgeben­ de, ringförmige Zerstäuberluft-Austrittsöffnung erstreckt. Die Elektroden befinden sich nahe dem äußeren Umfang der geringfügig profilierten Stirnfläche und stehen erheb­ lich über diese Stirnfläche vor. Sie sind hohl ausgebil­ det, so daß über sie eine Hilfsflüssigkeit, gegebenenfalls im Gemisch mit Luft, zugeführt werden kann. Tröpfchen der Hilfsflüssigkeit werden ionisiert und dem austretenden Produkt zugeführt. Diese Elektroden sind stark durch versehentliche Berührungen gefährdet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektro­ statische Sprühpistole der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der eine bessere Aufladung des Sprühstrahls möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von der Stirnfläche des Sprühkopfes ein zur Material-Aus­ trittsöffnung etwa konzentrischer, sich nach vorn verjün­ gender Leitkörper vorsteht und daß die mindestens eine Hochspannungselektrode im Bereich der Basis des Leitkör­ pers angeordnet ist.

Bei dieser Konstruktion befinden sich die Spitzen der Hochspannungselektroden in einer durch die Stirnfläche und den Leitkörper gebildeten Hohlkehle. Die Hohlkehle liegt im Bereich der Strömung der durch das austretende Material angesaugten Sekundärluft. Diese trifft in einem durch den Leitkörper bestimmten Abschnitt auf das austre­ tende Material. Durch die Form und Anordnung des Leitkör­ pers kann man den Auftreffabschnitt so wählen, daß eine optimale Aufladung des Materials erfolgt. Zur besseren Aufladung trägt auch bei, daß der Leitkörper aus isolie­ rendem Material in der ersten Phase als dielektrischer Isolator zwischen den Einzelelektroden und dem austreten­ den Material mit niedrigem elektrischen Potential wirkt. Außerdem sind die Elektroden in der Hohlkehle gut gegen versehentliche Berührungen geschützt. Die radial verhält­ nismäßig weit innen liegende Anordnung der Elektroden erhöht auch die Sicherheit gegen Funkenbildung bei Annä­ herung an geerdete Bauteile im Vergleich zu radial weiter außen angeordneten Elektroden.

Günstig ist es, daß mehrere Hochspannungselektroden etwa gleichmäßig um die Material-Austrittsöffnung herum ver­ teilt angeordnet sind. Die Ionisierung erfolgt dann an mehreren, gleichmäßig um die Material-Austrittsöffnung herum angeordneten Stellen, so daß auch die Übergabe der Ladung an das Material gleichmäßig von allen Seiten her erfolgt. Die Wirkungsbereiche der Elektroden über­ lappen sich, so daß man eine hohe Aufladung des Materials erhält.

Die Berührungssicherheit wird noch weiter verbessert, wenn die Hochspannungselektroden nicht oder nur unwesent­ lich über die Stirnfläche des Sprühkopfes vorstehen. Der Überstand sollte höchstens 6 mm und vorzugsweise weniger als 1 mm betragen. Auch bei nahezu versteckten Elektrodenspitzen ergibt sich wegen der Vielzahl der Elektroden eine ausreichende Aufladung.

Die Vereinigungsstelle der ionisierten Luft und des ausge­ tretenen Materials kann man nicht nur durch die äußere Form des Leitkörpers, sondern auch dadurch beeinflussen, daß der Leitkörper eine zentrische Aussparung besitzt und die Material-Austrittsöffnung einen Abstand vom vorde­ ren Ende des Leitkörpers hat. Hierdurch wird der Abstand zwischen der Austrittsöffnung und der Auftreffzone ver­ größert.

Die besten Ergebnisse zeigen sich, wenn der Leitkörper so geformt ist, daß eine von der Elektrodenspitze aus gezogene, den Leitkörper berührende Tangente die Achse der Material-Austrittsöffnung an einer Stelle schneidet, an der das Produkt beginnt, sich in Tröpfchen zu zerlegen. In diesem Bereich ist die Ladungsübergabe besonders inten­ siv.

Bei einer Luftzerstäubung sollte eine die Material-Aus­ trittsöffnung konzentrisch umgebende Zerstäuberluft-Aus­ trittsöffnung innerhalb des Basisdurchmessers des Leit­ körpers liegen. Die Elektroden werden dann von der durch die Zerstäuberluft angesaugten Sekundärluft überstrichen.

Bei einer Ausführungsform sind auf einander gegenüber­ liegenden Seiten der Material-Austrittsöffnung Hörner mit Hilfsluft-Austrittsöffnungen vorgesehen, die Hilfsluft auf das austretende Produkt richten. Dies ergibt unabhän­ gig von der Ionisierung eine Zerstäubungshilfe oder Strahlformung.

Ferner empfiehlt es sich, daß wenigstens ein Teil der Hochspannungselektroden in Umfangsrichtung versetzt zu den Hörner angeordnet sind. Hierbei wird unabhängig von der Hilfsluft genügend Sekundärluft zugeführt, damit der Materialstrahl möglichst stark aufgeladen wird.

Insbesondere können die Hilfsluft-Austrittsöffnungen so gerichtet sein, daß ihre Achsen die Symmetrieebene zwischen den Hörnern zwischen der Material-Austrittsöff­ nung und dem Schnittpunkt der Tangenten mit der Achse der Material-Austrittsöffnung schneiden. Auch diese Maß­ nahme trägt dazu bei, daß das konzentrierte elektrostati­ sche Feld erst dort im Sprühstrahl wirksam ist, wo dieser beginnt, sich in Tröpfchen zu zerlegen.

Eine besonders bevorzugte Anwendung ist die Verarbeitung eines Materials mit mittlerer bis höherer elektrischer Leitfähigkeit, wie wasserlösliche Lacke oder Trennmittel. Mit Hilfe des Leitkörpers ergibt sich nämlich eine längere Strecke zwischen Elektroden und dem aufzuladenden Mate­ rial, so daß eine direkte Kontaktierung mit dem Material verhindert ist.

Die beschriebene Elektrodenanordnung läßt sich sowohl für Pistolen mit Luftzerstäubung als auch für solche mit hydrostatischer Zerstäubung ("airless-Verfahren") anwenden. Wenn Hilfsluft verwendet wird, kann diese bei Luftzerstäubung der Formung des Sprühstrahls und bei hydrostatischer Zerstäubung als Zerstäubungshilfe im airless/Luft-Verfahren ("airless-plus") dienen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kopfbereich eines ersten Ausführungsbeispiels einer elektrostatischen Sprühpistole,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungs­ form,

Fig. 3 eine Vorderansicht auf die Ausführungsform der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform und

Fig. 5 eine Vorderansicht auf die geringfügig abgewandelte Ausführungsform der Fig. 4.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 weist der Körper 1 einer Sprühpistole einen Sprühkopf 2 aus elektrisch iso­ lierendem Werkstoff auf, der durch eine Überwurfmutter 3 mit dem Körper 1 verbunden ist. Im Zentrum des Sprühkop­ fes 2 befindet sich ein Düsenkörper 4 mit einem Schlitz als Material-Austrittsöffnung 5. Dahinter ist eine Dicht­ scheibe 6 und ein Einsatz 7 angeordnet, der einen Ventil­ sitz 8 trägt und eine Ventilstange 9 umschließt. Eine Schrägschulter 10 des Körpers 1 hält die Hintereinan­ derschaltung von Düsenkörper 4, Dichtscheibe 6 und Ein­ satz 7 an Ort und Stelle.

Der Sprühkopf 2 besitzt eine Stirnfläche 11, von der ein Leitkörper 12 mit konusartiger Oberfläche 13 vorsteht. Der Düsenkörper 4 befindet sich am vorderen Ende des Leitkörpers 12. An der Basis des Leitkörpers, also an der Übergangsstelle zwischen der Stirnfläche 11 und der konischen Oberfläche 13 befinden sich vier Hochspannungs­ elektroden 14, die mit 90° Abstand auf einem Kreis ange­ ordnet sind. Sie stehen nicht oder nur unwesentlich her­ vor. Da sie sich in einer Hohlkehle befinden, sind sie außerordentlich gut gegen Berührungen geschützt.

Jede Elektrode 14 ist über eine Leitung 15 mit einem Verteilerring 16 verbunden. Dieser steht mit einer einen Schutzwiderstand 18 aufweisenden Hochspannungs-Verbin­ dung 19 in Kontakt.

Wenn ein Material unter hohem Druck über einen Kanal 20 zugeleitet und das Ventil 8, 9 geöffnet wird, gibt die Material-Austrittsöffnung 5 einen Sprühstrahl 21 ab. Unmittelbar hinter der Austrittsöffnung, beispielsweise bis zum Abstand a, ist noch ein zusammenhängender Schleier vorhanden. Dahinter zerfällt er in viele kleine Tröpfchen. Das mit großer Geschwindigkeit austretende Material reißt Luft mit sich, so daß Sekundärluft gemäß dem Pfeil 22 an der Stirnfläche 11 und der Konusfläche 13 entlang strömt. Diese Luft wird durch die Hochspannungselektro­ den 14 ionisiert. Sie folgt dem Strömungsantrieb und dem elektrostatischen Feld. Auf dieses Feld hat der Leit­ körper 12 einen gewissen Einfluß. Die von den Elektro­ denspitzen ausgehenden und den Leitkörper 12 berührenden Tangenten 23 treffen die Achse der Austrittsöffnung im Abstand b, also dort, wo das Material beginnt, sich in Tröpfchen zu zerlegen. Da der überwiegende Teil der Luft erst in diesem Bereich auf den Sprühstrahl 21 auftrifft, ist eine gute Tröpfchenaufladung sichergestellt. Dies gilt insbesondere, weil die Ionisation von allen Seiten her, also konzentrisch erfolgt.

Es kann sich sogar um ein Material mit mittlerer bis höherer Leitfähigkeit, wie Wasserlack, handeln. Denn die Abstände zwischen den Elektroden und der Austritts­ öffnung bzw. dem Sprühstrahl sind ausreichend groß, um Überschläge zu vermeiden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden für entspre­ chende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Unterschiedlich ist es im wesentlichen, daß der Leitkör­ per 112 eine Oberfläche 113 mit einem kleineren Konuswin­ kel besitzt und daß im Innern des Leitkörpers eine zentri­ sche Aussparung 124 vorhanden, also der Düsenkörper 104 um ein Stück nach hinten zurückgesetzt ist. Beides führt dazu, daß die ionisierte Luft erst in einem größeren Abstand von der Austrittsöffnung auf den Sprühstrahl 121 auftrifft, wie es wiederum durch die von den Elektroden­ spitzen ausgehenden und den Leitkörper 112 berührenden Tangenten 123 veranschaulicht ist; hier hat der Schnitt­ punkt mit der Achse der Austrittsöffnung 105 den Abstand c von dieser Austrittsöffnung.

Fig. 3 zeigt, wie die Elektroden 114 gleichmäßig um die Austrittsöffnung 105 herum angeordnet sind. Die Wirksam­ keit der Elektroden ist nicht nur radial gerichtet, son­ dern geht im Rahmen des elektrostatischen Feldes auch zur Seite. Daher wird Sekundärluft, die über den Bereich I zuströmt, von einer Elektrode 114 beeinflußt, während in den dazwischen liegenden Bereichen II jeweils zwei Elektroden wirksam sind. Dies ergibt eine ringsum recht gleichmäßige Ionisierung der zugeführten Sekundärluft.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 werden für entsprechende Teile um 200 erhöhte Bezugszeichen benutzt. Eine durch eine Ventilstange 209 absperrbare Material-Austrittsöffnung 205 wird über einen Kanal 220 nahezu drucklos mit Material versorgt. Konzentrisch hierzu ist eine Zerstäuberluftdüse 225 vorgesehen, die über einen Ringraum 226 und einen Kanal 227 mit Zerstäuberluft versorgt wird. Auf einander gegenüberliegenden Seiten sind zwei Hörner 228 und 229 vorgesehen, die Hilfs­ luft-Austrittsöffnungen 230 besitzen. Auch hier ist wie­ derum der Stirnfläche 211 des Sprühkopfes 202 ein Leit­ körper 212 vorgeschaltet. An der Übergangsstelle befinden sich die Hochspannungselektroden 214.

Die Elektroden 214 können sich zwar, wie in Fig. 4 gezeigt ist, zum Teil unterhalb der Hörner befinden, so daß ihnen zwangsweise Hilfsluft zugeführt wird. In den meisten Fällen ist es jedoch für die gleichmäßige Ionisierung günstiger, wenn die Elektroden 214 in Umfangsrichtung versetzt zu den Hörnern angeordnet sind. Außerdem sollten Hilfsluft-Austrittsöffnungen 230 so gerichtet sein, daß die Hilfsluft auf den Sprühstrahl auftrifft, ehe die beschriebenen Tangenten die Austrittsachse erreichen. Auf diese Weise wird die Zerstäubung und die Ionisierung verbessert.

Die Hörner 228 und 229 können auch bei den hydrostati­ schen Zerstäuberdüsen der Fig. 1 und 2 angewendet werden. Die von diesen auf das Material gerichtete Hilfsluft unterstützt nicht nur den Zerstäubungsvorgang, so daß mit einem kleineren hydrostatischen Druck gearbeitet werden kann, sondern sie wird auch ionisiert und verbes­ sert dadurch die Aufladung.

Der Leitkörper kann auch eine andere äußere Form haben, beispielsweise gewölbt sein. Die Elektroden müssen nicht genau an der Basis des Leitkörpers plaziert sein, sondern können in einem gewissen Bereich davor oder dahinter angeordnet werden, ohne daß die geschilderten Vorteile verlorengehen. Die Sprühpistole kann auch in einer Atmo­ sphäre aus einem der Luft äquivalenten Gas betrieben werden.

Claims (10)

1. Elektrostatische Sprühpistole mit einem Sprühkopf aus elektrisch isolierendem Werkstoff, der eine Mate­ rial-Austrittsöffnung und mindestens eine Hochspan­ nungselektrode trägt, mit deren Hilfe das Material nach dessen Austritt aufgeladen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von der Stirnfläche (11; 111; 211) des Sprühkopfes (2; 102; 202) ein zur Material-Austritts­ öffnung (5; 105; 205) etwa konzentrischer, sich nach vorn verjüngender Leitkörper (12; 112; 212) vorsteht und daß die mindestens eine Hochspannungselektrode (14; 114; 214) im Bereich der Basis des Leitkörpers angeordnet ist.

2. Elektrostatische Sprühpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hochspannungselektroden (14; 114; 214) etwa gleichmäßig um die Material-Aus­ trittsöffnung (5; 105; 205) herum verteilt angeordnet sind.

3. Elektrostatische Sprühpistole nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektroden (14; 114; 214) nicht oder nur unwesentlich über die Stirnfläche (11; 111; 211) des Sprühkopfes (2; 102; 202) vorstehen.

4. Elektrostatische Sprühpistole nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkör­ per (112) eine zentrische Aussparung (124) besitzt und die Material-Austrittsöffnung (105) einen Abstand vom vorderen Ende des Leitkörpers (112) hat.

5. Elektrostatische Sprühpistole nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkör­ per (12; 112) so geformt ist, daß eine von der Elektro­ denspitze aus gezogene, den Leitkörper berührende Tangente (23; 123) die Achse der Material-Austrittsöff­ nung (5; 105) an einer Stelle schneidet, an der das Produkt beginnt, sich in Tröpfchen zu zerlegen.

6. Elektrostatische Sprühpistole nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Luftzer­ stäubung eine die Material-Austrittsöffnung (205) konzentrisch umgebende Zerstäuberluft-Austrittsöffnung (225) innerhalb des Basisdurchmessers des Leitkörpers liegt.

7. Elektrostatische Sprühpistole nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einander gegenüberliegenden Seiten der Material-Austrittsöffnung Hörner (228, 229) mit Hilfsluft-Austrittsöffnun­ gen (230) vorgesehen sind, die Hilfsluft auf das aus­ tretende Material richten.

8. Elektrostatische Sprühpistole nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Hochspan­ nungselektroden (214) in Umfangsrichtung versetzt zu den Hörnern (228, 229) angeordnet sind.

9. Elektrostatische Sprühpistole nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsluft-Austritts­ öffnungen (230) so gerichtet sind, daß ihre Achsen die Symmetrieebene zwischen den Hörnern (228, 229) zwischen der Material-Austrittsöffnung (205) und dem Schnittpunkt der Tangenten (223) mit der Achse der Material-Austrittsöffnung schneiden.

10. Elektrostatische Sprühpistole nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Anwendung auf das Verarbeiten eines Materials mittlerer bis höherer elektrischer Leitfähigkeit.