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Vorrichtung zum elektrostatischen Auftragen von Flüssigkeiten Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrostatischen Auftragen von Flüssigkeiten,
wie Lack oder gleich viskosen Flüssigkeiten.
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Es sind Sprühbehälter für Flüssigkeiten bekannt, die über einen Teil
ihrer Oberfläche gleichmäßig verteilte und gegen ein Werkstück gerichtete Austrittsöffnungen
aufweisen und die geschlossen sind und eine Elektrode bilden. Außerdem ist es bekannt,
die Flüssigkeitszuführung zum Sprühbehälter in bestimmter Weise zu bemessen. Die
bekannten,. mit messerscharfen Kanten versehenen Sprühkörper verursachen große Herstellungskosten
und erfordern erhebliche Hochspannungen. Dasselbe trifft zu bei der Verwendung von
Kapillarbündeln als Sprühkörper. Abgesehen davon, daß diese sich leicht zusetzen
können, kann hierbei nicht immer die erforderliche Flüssigkeitsmenge zugeführt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein gleichmäßiges Abspritzen
der Flüssigkeit mit einer geringen Hochspannung zu ermöglichen, wobei außerdem keine
messerscharfen Kanten sowie keine rotierenden Teile erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß ist der Sprühbehälter in Richtung auf das Werkstück
hin erhaben gewölbt, und die gewölbte Fläche entspricht etwa der Oberfläche einer
Halbkugel von 1 cm Durchmesser der Kugeloberfläche und ist mit Austrittsöffnungen
von kleiner als 0,5 mm Durchmesser versehen, wobei der Förderdruck für die Flüssigkeit
so bemessen ist, daß er an der Mündung der Austrittsöffnungen mit dem Umgebungsdruck
übereinstimmt. Die Flüssigkeit verbreitet sich also stets in dünner Schicht über
die verhältnismäßig kleine gewölbte Fläche und wird durch die Hochspannung zwischen
der gewölbten Fläche und dem Werkstück gleichmäßig über die gesamte Fläche abgespritzt.
Ein solches Gerät zum elektrostatischen Spritzen ist leicht herstellbar, und es
wird bedeutend an Spannung eingespart, da sich die gewölbte Fläche bereits mit verhältnismäßig
geringer Hochspannung verwenden läßt.
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Der Sprühbehälter kann erfindungsgemäß als Hohlkugel mit auf der dem
Werkstück zugewandten Hälfte angeordneten Bohrungen ausgebildet sein, oder als Rohrabschnitt,
dessen dem Werkstück zugewandte Seite mit Bohrungen versehen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Spritzvorrichtung, Fig. 2 einen
vergrößerten Querschnitt durch den ; Sprühbehälter gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Zerstäuber
in anderer Ausführungsform, Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt durch die Strahlenbildung.
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In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Sprühbehälter, 2 einen Metallhalter mit
einer horizontalen Bohrung 6. Der Halter 2 ist mit einer Hochspannungsquelle (nicht
dargestellt) durch ein isoliertes Kabel 3 verbunden, so daß der Zerstäuberkopf auf
einem hohen elektrischen Potential gegenüber Erde gehalten wird. Das Werkstück ist
negativ gegenüber der Spritzvorrichtung geladen.
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Der Halter 2 ist von einem Ständer 17 getragen, der aus isoliertem
Material besteht. Er ist vorzugsweise kugelig ausgebildet, um scharfe Kanten zu
vermeiden, durch die lokale Ladungen entstehen könnten sowie Sprühentladungen, wodurch
die Wirksamkeit der Vorrichtung beeinträchtigt würde, weil die Dichte des elektrischen
Feldes reduziert würde.
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Das Zuleitungsrohr 4, durch welches das Innere des Spritzkopfes 1
mit dem Zuleitungsrohr 5 verbunden ist, verläuft durch die horizontale Bohrung 6
des Halters 2. Es ist durch eine Schraube 12 festgehalten. Das Rohr 4 besteht aus
Metall, um eine leitende Verbindung zwischen dem Sprühbehälter und dem Halter 2
herzustellen.
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Das Rohr 5 ist durch eine Einrichtung im hinteren Ende 13 des Rohres
4 befestigt. Das Rohr 4 steht aus dem Halter 2 hervor. Das Rohr 5 bildet zusammen
mit dem Zweigrohr 14 eine Leitung von dem Farbbehälter und von dem Lösungsmittelbehälter
zu dem Sprühbehälter 1. Die Rohre 5 und 14 bestehen aus isolierendem Material, wie
z. B. Gummi, um zu
vermeiden, daß die Ladung des Halters 2 und des
Rohres 4 nach der Erde abgeleitet wird.
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Der Farbbehälter 15, von dem das Rohr 5 ausgeht, ist durch eine (nicht
dargestellte) Einrichtung unter Druck gesetzt, um den notwendigen Druck für die
Förderung der Farbe zur Sprühbehälteroberfläche -zu erzeugen. Dieser Druck braucht
nur auszureichen, um die statische Höhe zwischen der Sprühoberfläche und dem Behälter,
vermehrt um den Druckabfall, durch die Bohrungen 22 zu überwinden. Er kann vollständig
entfallen, sofern der Behälter ausreichend hoch über dem Sprühbehälter angeordnet
wird. Der Lösungsmittelbehälter 16 wird aus den gleichen Gründen unter Druck gesetzt.
Das Verhältnis von Farbe zu Lösungsmittel wird durch Betätigung der Mischventile
8; 9 in den Leitungen 5 und 14 eingestellt. Der Durchfluß von Farbe und Lösungsmittel
zum Sprühbehälter wird durch Betätigung des Ventils 7 in der Leitung 5 eingestellt.
Sofern eine dickere Mischung hergestellt werden soll, kann eventuell das Lösungsmittel
vollständig abgestellt werden, und sofern die Vorrichtung gereinigt werden soll,
kann der Farbbehälter abgestellt werden, so daß lediglich Lösungsmittel durch die
Leitungen hindurchströmt.
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Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß der Sprühbehälter 1 aus einer hohlen
Kugel besteht, die mit einem Flüssigkeitseinlaß 23 versehen ist. Dieser ist durch
Schweißung oder Lötung mit dem Rohr 4 verbunden. Der hohle Innenraum bildet einen
Farbraum 21. Die Fläche 20 der Kugel bildet die Zerstäubungsfläche. Eine Anzahl
gleichmäßig voneinander entfernter Bohrungen 22 verbindet die Zerstäubungsfläche
20
mit dem Raum 21. Die Bohrungen 22 bedecken die Hälfte der Kugel. Die Bohrungen
können auch mehr oder weniger über die ganze Kugel verteilt sein. Die Ausbildung
gemäß Fig. 2 ist indessen für die meisten Spritzvorgänge ausreichend.
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Der Durchmesser der Bohrungen 22 wird so klein wie möglich bemessen,
und zwar so, daß die Farbe hindurchtreten kann, ohne sie zu verstopfen. Es hängt
dies weitgehend von dem zu verspritzenden Material ab. Es wurde festgestellt, daß
ein Bohrungsdurchmesser von 0,05 bis 0,5 mm ausreichend ist, um normale Farben und
Lacke durchzulassen. Der kleinste Abstand zwischen den Bohrungen ist durch den geringsten
Grunddurchmesser eines durch die Wirkung des elektrostatischen Feldes erzeugten
Strahles gegeben. Dieser kann aus dem Studium einzelner Strahlen bestimmt werden.
Je dichter die Bohrungen, je größer die Bohrungszahl auf der Einheit der Oberfläche
angeordnet ist, um so höher der Grad der Zerstäubung und um so gleichförmiger wird
die Zerstäubung. Die beste Anordnung der Bohrungen ergibt sich bei einer Mittenentfernung,
die gleich dem kleinsten Grunddurchmesser der Flüssigkeitsstrahlen ist.
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Zum besseren Verständnis des Verhaltens der Strahlen beim Spritzen
dient die Fig. 4. Es sind hier einzelne Strahlen 30 und 31 dargestellt, die durch
verschiedene Bohrungen 22 gespeist werden. Die Entfernung der Bohrungen 22 ist in
Fig. 4 als Optimum dargestellt, da der Abgang der Strahlen sich nur in A berührt.
Würde die Entfernung geringer sein, so würden die Strahlen sich überschneiden, so
daß ein einziger Strahl aus mehreren Bohrungen gespeist würde. Hierin liegt nicht
die günstigste Betriebsweise. Würden aber die Bohrungen weiter voneinander entfernt
sein, so würde zwischen den Bohrungen 22 ein Freiraum vorhanden sein, so daß nicht
die gesamte Fläche des Sprühbehälters zur Bildung von Strahlen verwendet werden
würde.
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Ein einzelner StrahIgrunddurchmesser ist abhängig von der Dichte des
elektrischen Feldes, des Durchmessers der Bohrung 22, dem Förderdruck der Flüssigkeit
sowie deren Viskosität, Leitfähigkeit und Oberflächenspannung. Der Strahldurchmesser
kann durch direkte Messung an einem einzelnen Strahl bestimmt werden. Bei einer
gegebenen Flüssigkeit und einem gewissen Durchmesser der Bohrungen 22 verhält sich
der Grunddurchmesser des Strahles umgekehrt zu der an den Spritzkopf gelegten Spannung.
Der optimale Spannungswert an dem Sprühbehälter liegt daher bei der maximalen Spannung,
die ohne nachteilige Sprühentladung angelegt werden kann. Der Grunddurchmesser eines
Strahles bei dieser maximalen Spannung ist der minimale Grunddurchmesser eines Strahles
für einen bestimmten Bohrungsdurchmesser 22 und eine gegebene Flüssigkeit.
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Die Beziehung zwischen dem Druckabfall durch die Bohrungen 22 und
dem Differenzdruck zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Raumes 21 muß
so sein, daß der Druckabfall in den Bohrungen bedeutend größer ist als der Druckunterschied
innerhalb des Raumes 21, so daß dieser völlig gefüllt wird und die Flüssigkeit am
oberen Teil desselben ebenso austritt wie am unteren Teil.
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Der Druckunterschied innerhalb des Behälters ergibt sich allein aus
der hydrostatischen Höhe innerhalb des Behälters. Der Druckabfall durch die Bohrungen
kann durch das Gesetz von Hagen-Poiseuille berechnet werden.
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Der Druckabfall durch die Bohrungen muß etwa zehnmal so groß sein
wie der Druckunterschied zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Behälterinhaltes,
um die Gleichförmigkeit des Sprühens aus dem Sprühbehälter sicherzustellen. Hierdurch
wird die obere Grenze für den Durchmesser der Bohrungen bei einer Flüssigkeit von
gegebener Viskosität gesetzt.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Die Farbe
wird von einer zylindrisch gewölbten Oberfläche 26 eines Rohres 24 abgesprüht. Besonders
wesentlich ist dessen Auslaß 4. Durch diesen Auslaß ist ein Mittel gegeben, die
Flüssigkeit, die nicht durch die Bohrungen 25 zur Oberfläche 26 hindurchtritt, zurück
in die Flüssigkeitsleitung 5 (Fig. 1) zu leiten. Hierbei können größere Durchflußmengen
erzielt werden, wenn es wünschenswert erscheint. Außerdem hat sich diese Anordnung
als vorteilhaft erwiesen, weil Fremdteile in der Flüssigkeit in die Leitung zurückgeführt
werden und die Bohrungen in dem Sprühbehälter nicht verstopft werden können. Gegebenenfalls
kann ein Filter in der Rückleitung vorgesehen werden, um Fremdteilchen abzuscheiden.
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Im Betrieb wird der Sprühbehälter 1 durch eine Einrichtung auf ein
hohes Potential aufgeladen. Die Ladung wird durch das Kabel 3, den Halter 2 und
das Rohr 4 auf den Sprühbehälter übertragen. Die Farbe und das Lösungsmittel werden
unter einem leichten Druck durch die Rohre 5 und 14 hindurchgeführt und beim Durchtritt
durch das Rohr 5 gemischt. Die Farbmischung strömt durch das Rohr 4 und füllt den
Raum 21. Hierauf wird sie durch die Bohrungen 22 auf die Zerstäuberfläche 20 geleitet.
Am Austritt jeder Bohrung 22 an der Oberfläche 20 wird durch den Einfluß des hohen
elektrischen Feldes
ein Strahl zwischen dem zu spritzenden Gegenstand
18, der geerdet ist, und dem hochaufgeladenen Sprühbehälter gebildet. Die Strahlausbildung
ist gleichförmig. Zur Aufspritzung eines Belages mit einem Sprühbehälter wurden
praktisch folgende Daten erreicht:
| Spannung am Sprühbehälter . . 40 Kilovolt |
| Stromstärke ................ weniger als 20 Mikro- |
| Spritzkopfdurchmesser ....... 1 cm ampere |
| Bohrungsdurchmesser ....... 0,3 mm |
| Sprühfeinheit bei einem mitt- |
| leren Tropfendurchmesser von |
| 80 Mikron ................ 0,62° Engler |
| Farbwiderstand ............. 2,9 - 108 Ohm/cm |