JP4402544B2 - 静電塗装用エアスプレーガン - Google Patents

Description

本発明は水系塗料等の高導電性塗料を静電塗装するに適し、特には手持ち式の汎用静電塗装用スプレーガンに関する。

静電塗装方法は塗料の塗着効率を向上し、資源の節約、環境汚染の削減等の利点があり、古くから使用されている塗装方法である。塗料に高電圧静電気を帯電させ被塗装物への塗着を促進するための荷電方式には大きく分類して直接荷電と間接荷電があり、直接荷電は塗料側に高電圧を荷電する方式で多くは塗料の電気抵抗値が高い塗料に用いられてきた。しかし直接荷電は、塗料が水系塗料に代表される導電性塗料の場合、荷電した高電圧が塗料を通して供給側に放電するため、帯電に必要な高電圧が荷電電極に維持できなくなることから、塗料系全体を接地電位から絶縁し高電圧に維持する必要があるなど、工業的には幾多の解決しなければならない問題が多く残されている。

これに対し間接荷電は、塗料系と離れた位置に荷電電極を設け、その電極からの放電により噴霧された塗料粒子に帯電させるもので、一般的にはスプレーガンの外部に電極を配置している。したがって高電圧は塗料の導電性に関係なく荷電することができ、特に近年揮発性有機化合物の削減から水系化に移行してきている塗料に対して使用される静電塗装方法として重要視されてきている。

間接荷電は塗料側を接地電位とし、荷電電極をスプレーガンの外部に置くことで外部電極・外部帯電と呼ばれているものが一般的で、特開２００４−１４８２３９等がある。この場合外部に設けた電極を小形化し、操作性を向上させているが、使用状況によっては十分とはいえず、改善の余地は依然残されている。また間接荷電の別の方法として、特開２００３−２３６４１５等が見られるが、イオン化空気による塗料粒子への帯電が主のため塗料への荷電、被塗装物への電界形成に限界があって十分とはいえない。

外部電極の考え方で荷電電極を塗料通路から分離し、離れた位置に設けることで低抵抗値の塗料を静電塗装する技術も一部には、特開平０９−０４７６９５に例示するように提案されている。しかしこれを水系塗料のような導電性塗料に使用した場合、電極間距離が近すぎるため、塗料側への直接放電が多く行われ、通常の高電圧荷電では安全性に問題があると共に、直接放電によりイオン化が損なわれ塗料粒子への帯電効果が低下する問題や噴霧化の中心となる空気口に電極が配置されるために噴霧パターンの乱れが生じやすく、スプレーガンとして最も重要な塗装面の仕上がり品質が低下する等の問題が残り、実用的に採用しがたい状況がある。

荷電電極から接地電極（電位）への放電は、これらの距離、形状等によって異なり、ごく一般的には距離が近いほど低い電圧で放電し、グロー放電やスパーク放電が起こる。静電塗装の場合、グロー放電により電極近くで高度なイオン化が形成され、これが塗料粒子に帯電されることによって、接地電位に維持された被塗装物に塗着する効果が得られる。電極間距離が至近距離になったり、高電圧になるとスパーク放電が生じ、この種の放電は引火・爆発を誘引するため危険で、絶対に回避しなければならない。このため荷電電極と接地電位に置かれる対向電極との間で、効率的に帯電させる荷電電圧、電極構造、接地電位の対向電極の条件が種々検討されてきた。

従来塗料側に荷電電極を置いた直接帯電では、安全性を見込んで距離をおいたハンドル側の接地部材（対向電極）に放電させる方法で５０から６０ｋVの高電圧を荷電するのが一般的であり、外部電極の場合、高イオン化域が噴霧粒子から離れることから、これよりさらに高めにするのが一般的である。
またイオン化空気を吹付ける方法は、噴霧塗料粒子に帯電させるまでに分散が起こり、噴射時の拡散によって塗料もしくは塗料粒子への荷電効率の低下は避けられず、高電圧荷電による静電気の帯電効果に対しては十分とはいえないが、塗料を通して放電されて高電圧が維持できない導電性塗料に利用できることや安全性などの利点が生かされている。
特開平０９−０４７６９５ 特開２００４−１４８２３９ 特開２００３−２３６４１５

導電性塗料は直接荷電に多くの問題があり、塗料側を接地電位とした外部電極方式が用いられている。この種の静電ガンはスプレーガンの外側にある程度距離をおき、外部電極を取り付けるため小形化、操作性に難点がのこされている。他の手段としてスプレーガン外部に電極を配置することなしに、空気通路内部に放電極を設けて噴霧化空気をイオン化し、このイオン化空気を噴霧塗料と衝突させ帯電させる方法が提案されているが、前記したように塗着効果に改善の余地があり、これらいずれの問題点をも解消した、より高い静電塗着効果を達成するスプレーガンが望まれている。

高電圧発生器を有し、塗料側を接地電位とした静電スプレーガンの、噴霧用圧縮空気通路内に放電電極と該放電電極と対向する接地電極を設け、通過する圧縮空気をイオン化して噴霧空気として空気キャップより噴出させ、さらに塗料噴出口の外側に配置された空気キャップの中心空気口の外側に噴霧域に達しない領域に荷電電極を配置する。

荷電電極には圧縮空気が噴出されているときに５ｋVを超え、１０ｋV未満の電位に設定もしくは調整されて荷電する高電圧発生装置の出力側が接続される。また前記高電圧発生装置の出力側と放電電極とは直接接続され、前記高電圧発生装置の出力側と荷電電極とは電圧調整用抵抗を介して接続する。

本発明は水系塗料を始めとする高導電性塗料を静電塗装する場合に使用させるスプレーガンとして作業者の負担が少ない、即ち小形で軽量であり、使用に際して安全に使用できる静電塗装用スプレーガンとして、資源の節約、環境汚染の削減を図ることができる。

霧化中心部に高イオン化域を形成して噴霧塗料の直接帯電と前記イオン化空気による帯電により静電塗装を行う。塗料粒子は噴霧直後の帯電とイオン化空気による二次帯電及び荷電電極からの電界形成により高い塗着効果を得ることができる。基本構造は塗料側に荷電しない方式のため高導電性塗料に対応ができる小形の静電塗装ガンが得られる。

また電圧発生器より供給された高電圧を荷電する荷電電極を、前記塗料側との間に圧縮空気流路を形成して配置されており、作動時に前記圧縮空気流路より圧縮空気が噴出されているときに、該荷電電極に高電圧が荷電され、その電圧は５ｋＶを超え１０ｋＶの範囲となるように調整もしくは設定されるもので、従来に比較し大幅な低電圧化が可能となっている。したがって高電圧発生装置自体の小形化が可能となり、結果的にスプレーガン自体の小形化にも好影響をもたらす。

以下本発明を実施するための詳細を図面に基づき説明する。図１はエア霧化方式の手持ち式静電スプレーガンの全体構成を示している。一般的な静電スプレーガンで周知されている通り、静電スプレーガン１は先端部に噴霧化装置２を備えた本体３、本体３の後部下方に伸びるハンドル４で構成され、本体３は絶縁材で形成され、ハンドル４部分は導電性材料により形成もしくは被覆され接地電位に接続されている。

本実施例では本体３に高電圧発生器５を内蔵し、その出力側が噴霧用空気通路９に露出した放電電極３５と後述の荷電電極６に、それぞれ接続されている。電源は外部の高周波低電圧電源７より電源ケーブルを通して供給されているが、これに限定されるものではない。噴霧に使用される圧縮空気は、ハンドル４を通り、本体３の空気通路９を経て、先端霧化装置２の空気キャップ２０より噴出する構成を有する。

前記空気通路９に配置した放電電極３５の対向電極として空気通路９内の離れた位置に接地電極３６が配置され、放電電極より接地電極に放電させることによって放電電極周辺にコロナ放電を発生させ、周辺の空気の絶縁破壊を起こして空気のイオン化が行われるようにする。通常接地電極３６は通路内周にリング状に置かれ、放電電極３５とは数ｃｍの距離がおかれる。また接地電極３６は上流側に設けてもよい。

高電圧発生器５と荷電電極６の間には制限抵抗３３が設けられ荷電電極の電位が調整されることによって、安全かつ効率的な荷電を可能にする。制限抵抗３３はスプレーガンに応じて固定されるものでも、可変できるものでも良い。一実施例として高電圧発生器の出力電圧３０ｋＶとし、前記の放電電極に荷電し、荷電電極には２ＧΩの高抵抗を介して接続する。

噴霧塗料は接地電位におかれた容器１０より供給装置１１によって塗料通路１２を経て、後述の塗料ノズル２５より噴霧される。その他、スプレーガンには塗料の噴出、噴霧化圧縮空気の噴出、荷電制御を行う引金、調整装置等が設けられて噴霧操作が行えるように構成されているが、これらの構成は幾多の例で周知の構成であり、ここでは詳細を省略する。

図２に詳細を示すスプレーガン先端部の噴霧化装置２は、絶縁性の材料で形成され、前記本体３先端部に取り付けられた塗料ノズル２５の中心部に噴出口２６が設けられ、内部には進退するニードル弁２７が塗料の噴出、停止を制御する手段として構成される。塗料ノズル２５の前方に着脱自在に取り付けられる空気キャップ２０は、前記噴出口２６の周囲に環状隙間を形成して噴霧化空気孔となる中心空気口２１、その周囲に対向して突き出した角部２２より内側に向けて噴出するパターン形成空気口２３、を備えている。それぞれの空気口には前記本体側から供給される圧縮空気が送り込まれ、塗料噴出口２６には塗料ジョイントから塗料が送り込まれる。

高電圧が供給される荷電電極６は前記空気キャップ２０の前面で、中心空気口２１の外側、パターン形成空気口２３との間に尖端部６１を露出させた状態で設けられている。荷電電極６は、空気キャップ２０が本体に組み込まれたときに、前記高電圧発生器５の出力側と電気的に直接接続されるように接続端子３１、荷電端子３２が確実に接触するように構成されている。この例では荷電端子３２側が前後に変位する弾発性を有し、接続端子３１側は空気キャップ２０の回転によっても接続が維持されるよう、少なくとも９０°以上の範囲に設けられる。これらの端子は静電容量を減少する方向で設計されるのが望ましく、それぞれの端子構造はいずれの端子側に設けてもよい。

荷電電極と対向電極となる接地電位は塗料噴出口に置かれ、塗料通路そのものを接地電位にする方法や、前記ニードル弁先端もしくは塗料ノズル２５の噴出口を導電性材料として接地電位に接続する等の方法が採られる。図２の例ではニードル弁２７の先端部のみ金属線２７Ｅを組み込み確実に対向電極となるように構成している。

静電塗装を行うにあたっては、引金の操作により圧縮エアが空気キャップ２０より噴出され、ついで塗料が噴出し噴霧化された状態で被塗装物に向かって吹付けられる。これらは通常のエアスプレーガンの作動状態と同じであるが、静電塗装では引き金作動により高電圧の荷電スイッチが入り、高電圧発生器５より供給された高電圧は制限抵抗３３、接続端子３１、荷電端子３２を経て荷電電極６に荷電され、その尖端より対向電極である塗料側の接地電位に向かって放電される。

本発明においては、荷電電極６への高電圧は制限抵抗３３により制限された状態で供給され、使用時において荷電電極６の先端電圧が５ｋＶを超え１０ｋＶの範囲になるように調整されている。例えば荷電電極６と対向電極である塗料噴出口との電極間距離が７ｍｍで、圧縮空気を噴出していない時、図３に一例を点線で示すように印加電圧を上げていくと、これに伴って先端電圧が上昇するが１０ｋＶの手前で放電が起こり、大きな電流が流れることによって点線で示すように先端の電圧は逆に低下し、イオン化に必要な電圧が維持できなくなる。通常エア霧化による静電塗装では圧縮空気を噴出するため、電極間に圧縮空気を流した場合は、３００ｋＰａの圧縮空気を噴出した場合の例で、図３の実線のように先端電圧を７ｋＶ前後に維持することができる。これは噴霧化域の近傍にイオン化電極を設けて、静電塗装効果を得るために必要なイオン化電圧を満足しており、従来に比較し大幅な電圧低下を可能とし、その効果を得ることができる値となる。したがって荷電電極と接地電位との間に圧縮空気の層を形成し、必要以上の高電圧を制限して安全かつ効率的に荷電を行うことが大きな特徴となる。

一方、放電電極３５に供給された高電圧は、接地電極３６に向かって放電し、このとき空気通路を通る圧縮空気がイオン化される。この場合も前記と同様イオン化させる空気を流した時に図４実線のように高い電圧で放電を行うことができ、塗料側とは別のガン内部の接地電極への放電のため、より高い電圧の使用と高度なイオン化が可能となる。これによって前記空気キャップ２０より噴出するイオン化された圧縮空気は、塗料及び噴霧粒子に電荷を与え前記同様被塗装物への塗着をさらに促進することになる。尚、図４の点線は圧縮空気を噴出していない時、放電電極３５に供給された高電圧（横軸）と接地電極３６との間に生じる放電電圧（縦軸）の関係を示す。

本発明では荷電電極６を接地電位の近くに置き、高電圧の荷電によりコロナ放電の範囲で維持し、グロー放電が起きないように低電圧化すると共に、荷電電極６と接地電位である塗料通路との間にイオン化された圧縮空気流Ａを形成させることで塗料側への不要な放電電流を押さえ、先端電圧を維持し、コロナ放電によって荷電電極周辺に形成された高度なイオン化域と、前記イオン化された圧縮空気によって、噴霧化した塗料に高い帯電効果をもたせて、被塗装物の方向に吹付けることができる。
荷電する電圧は電極の形状や配置によっても異なるが、静電塗装による電極からの放電電流は１０乃至１００μＡであることが通常の範囲として知られており、本発明の場合、電極間に配置した圧縮空気流路より一般的に使用される１００乃至４００ｋＰａの圧縮空気の噴出を噴射した状態で５ｋＶを超え１０ｋＶの範囲で高電圧が維持される荷電によって、安全で極めて効率のよい静電塗装を可能としている。

多くの実験によれば、先端電圧と塗着効率の関係は、図５のようにほぼ相関し、電圧が高いことが要求されるが、噴霧領域のできるだけ近くに配置し、イオン化による帯電効果を最大限に生かした場合、供給電圧を高くしても、図のように塗料側への放電が多くなって先端電圧は、図４に例示のごとく減少してしまい、無意味な高電圧化は不要となる。したがって噴霧領域の近傍に電極を配置する場合、圧縮空気のイオン化を行う放電電極に例えば３０ｋＶの高電圧をかけても、荷電電極の先端電圧は制限抵抗により７ｋＶ前後になるよう調整が可能であり、それぞれの適正電圧を供給して効率の良い、安全な静電塗装を行うことができる。

本発明における一実施例を示す静電塗装用スプレーガンの構成概要図である。 図1の先端霧化装置及び荷電電極部を示す構造断面図である。 荷電電極への印加電圧と先端電圧の関係を示すグラフ図である。 放電電極への印加電圧と放電電圧の関係を示すグラフ図である。 先端電圧による塗着効率の傾向を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 静電スプレーガン
２ 霧化装置
３ 本体
４ ハンドル
５ 高電圧発生器
６ 荷電電極
７ 電源
８ 接続線
９ 空気通路
１０ 容器
１１ 供給装置
１２ 塗料通路
２０ 空気キャップ
２１ 中心空気口
２２ 角部
２３ パターン形成空気口
２５ 塗料ノズル
２６ 噴出口
２７ ニードル弁
２７Ｅ 金属線
３１ 接続端子
３２ 荷電端子
３３ 制限抵抗
３５ 放電電極
３６ 接地電極

Claims (3)

1. 接地電位側に接続された塗料噴出口と高電圧発生装置の出力側に接続され噴霧領域に設けた荷電電極を備え、該荷電電極と塗料噴出口との間に圧縮空気の噴出口を配置した静電エアスプレーガンであって、前記圧縮空気の通路内に放電域を形成する放電電極と該放電電極と対向する接地電極を設けて該通路内にイオン化域を形成し、前記高電圧発生装置の出力側と前記放電電極を接続してなる静電塗装用エアスプレーガン。
2. 荷電電極には圧縮空気が噴出されているときに５ｋVを超え、１０ｋV未満の電位に設定もしくは調整されて荷電する高電圧発生装置の出力側が接続される請求項１に記載の静電塗装用エアスプレーガン。
3. 前記高電圧発生装置の出力側と放電電極とは直接接続され、出力側と荷電電極とは電圧調整用抵抗を介して接続してなる請求項１に記載の静電塗装用エアスプレーガン。
   

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