[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung
von Lackierstraßen, insbesondere der Spritzstellen in Spritzkabinen mit Lackmaterial
mit einer Pumpe, die Lackmaterial in einer Leitung fördert.
[0002] In großen Lackierstraßen, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie zur Lackierung
von Rohkarosserien üblich sind, werden die Lackspritzstellen über Ringleitungsanlagen
mit den notwendigen Lackfarben versorgt. Für jeden Farbton und jedes Lackmaterial
ist eine besondere Ringleitungsanlage erforderlich. Je nach Größe und Ausrüstung der
Anlage sind insbesondere für das Handspritzen beispielsweise bis zu 2o Spritzstellen
pro Farbton installiert (Industrie-Lackier-Betrieb (1976), Seite 181, 182).
[0003] Die Lackversorgungsanlage besteht dabei im wesentlichen-aus einem drucklosen Behälter
mit Rührwerk, Pumpe und einer Rohrleitungsstrecke, in der das Lackmaterial an den
Spritzkabinen entlang geführt wird, wobei durch Drosselarmaturen die für das Spritzen
erforderlichen Drücke und Mengen einreguliert werden. Die Ringleitung führt das Lackmaterial
in den Behälter zurück. Dieses Rezirkulationsverfahren wird durchgeführt, um das Sedimentieren
von Partikeln in den Rohren zu verhindern. Sind alle Spritzstellen in Funktion, wird
von dem Lackmaterial, das die Pumpe in die Ringleitung fördert, etwa 6
0% verspritzt, während 4o% in den Behälter zurückgeführt werden.
[0004] An einem Rücklaufkontrollventil, das sich in der Ringleitung zwischen der letzten
Spritzstelle und dem Lackansatzbehälter befindet, wird durch entsprechende Drosselung
des Lackvolumenstromes das Druckniveau in der Ringleitung einreguliert.
[0005] Es sind hierbei-Ringleitungsanlagen bekanntgeworden, die eine Gesamtlänge bis über
3oo m haben, wobei die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten im freien Rohrquerschnitt
üblicherweise zwischen o,2 und o,5 m/s liegen. Als Umwälzpumpen werden entweder preßluftgetriebene
Kolbenpumpen oder mehrstufige Kreiselpumpen eingesetzt. Üblicherweise haben diese
Pumpen eine Druckdifferenz von 8 bis 12 bar zu leisten, wovon das Rücklaufkontrollventil
allein ca. 3 bis 5 bar drosselt, während der Rest des vorhandenen Druckes über den
Druckverlust der Rohrströmung abgebaut wird.
[0006] In dem Behälter, der als Lackansatzbehälter dient, herrscht Atmosphärendruck. Das
Lackmaterial strömt der Pumpe zu und wird im Druck angehoben. In der Rohrstrecke selbst
fällt der Druck wieder aufgrund des Druckverlustes, wobei für alle Spritzstellen ein
Druckminderventil vorgesehen ist, das unabhängig von der Entfernung der Spritzstelle
von der Pumpe einen gleichmäßigen Druck an allen Spritzstellen sicherstellt.
[0007] Die Lackmaterialien enthalten Bindemittel oder Bindemittelgemische, die in geeigneten
Lösungsmittelgemischen gelöst vorliegen sowie Pigment- und Extendergemische. Das Lösungsmittel
kann auch Wasser sein, wobei weiterhin Sekundärlackdispersionen vorgesehen sein können,
bei denen das Bindemittel in wäßriger oder in organischer Phase ungelöst vorliegt.
Weiterhin sind auch Metallic-Basislacke zu fördern, in denen z.B. Aluminiumbronze
in Form von metallischen Plättchen vorliegt.
[0008] All diese Lacksysteme durchlaufen beim Produktionsprozeß Misch- und Dispergierstufen.
Hierbei werden insbesondere die Pigment- und Extenderanteile fein dispers verteilt
und benetzt. Diese Vorgänge beruhen im wesentlichen auf mechanischer Scher- und/oder
Prallbeanspruchung der Feststoffteilchen in geeigneten Bindemittel-Lösungsmittel-Systemen,
wobei Beanspruchungsintensität und Beanspruchungshäufigkeit in Verbindung mit grenzflächenaktiven
Effekten für den Erfolg verantwortlich sind. Hierbei sind Lackmaterialien zu erzeugen,
die bezüglich ihrer coloristischen, mechanischen und korrosionshemmenden Eigenschaften
sowie bezüglich ihres Erscheinungsbildes und ihrer Verarbeitbarkeit langzeitstabile
Eigenschaften aufweisen.
[0009] Es wurde erkannt, daß die Lackmaterialien in den Lackversorgungsanlagen in Lackierstraßen
zusätzlich durch Scherströmungen in Ringleitungsanlagen und Armaturen nochmals beansprucht
werden. Es ist bekannt, daß manche Lackmaterialien durch diese Beanspruchung in Lackversorgungsanlagen
in einigen Eigenschaftskriterien nicht stabil bleiben.
[0010] Im folgenden wird abgeschätzt, welcher Scherbeanspruchung Lackmaterialien beim Durchströmen
von Ringleitungsanlagen unterliegen, und zwar an folgendem Beispiel:

[0011] Uber die Reynolds-Zahl ist zu prüfen, ob laminare oder turbulente Strömung im Rohr
der Ringleitung vorliegt.

[0012] Es ergibt sich mit den angegebenen Daten eine Reynolds-Zahl von

[0013] Dies bedeutet, daß die Rohrströmung laminar ist (laminare Strömung liegt in Rohren
vor, wenn Re 2300 ist).
[0014] Der Druckverlust in Rohrleitungen ist

und der Widerstandsbeiwert bei laminarer Strömung

[0015] Hiermit ergibt sich der Druckverlust der Rohrströmung im laminaren Fall:
[0016] Mit (4) und den angegebenen Daten ergibt sich ein Druckverlust pro laufende Länge
Rohr von

[0017] Bei einer Rohrlänge von 3oo m muß von der Pumpe allein zum Fördern durch das Rohr
(ohne Armaturen) eine Förderdruckhöhe von -

[0018] aufgebracht werden.
[0019] Ist eine Geschwindigkeit im Rohr von o,5 m/s einzuhalten, erhöht sich dieser Wert
auf 9,2 bar.
[0020] Nun ist die Frage nach der Pigmentbeanspruchung im Lackmaterial durch die Scherströmung
zu stellen. Es ist die spezifische Energie:

[0021] Hierin bedeuten spezifische Dissipationsenergie auf Pigmentvolumenanteil im Lack
bezogen

[0022] Schergefälle

Scherzeit t in s s
[0023] Pigmentvolumenkonzentration (PVK)
cv
[0024] Mit einer PVK von c
v= 0,08 und den angegebenen Daten ergibt sich:
[0025] Für L = 3oo m und v = o,3 m/s eine Scherzeit im Rohr pro Umlauf von t
s = 1ooo s und ein Schergefälle von

Hiermit wird:

pro 1 Umlauf oder

pro 1 Umlauf
[0026] Diese spezifische Energie ist so gering, daß eine wesentliche dispergierende Wirkung
durch die Scherströmung im Rohr auf die Pigmente auszuschließen ist.
[0027] Die Dissipationsenergie an Rücklaufkontrollventilen ist wesentlich höher: Annahmen:
Druckverlust am Ventil

[0028] Lackdurchsatz

[0029] Ventilraum, in dem Scherung erfolgt

[0030] Scherzeit im Ventilraum

[0031] Hiermit ergibt sich eine Leistungsdichte auf das Lackvolumen bezogen von

pro 1 Durchlauf und eine Energiedichte auf das Lackvolumen bezogen von

pro 1 Durchlauf
[0032] Bezieht man die Energiedichte über die PVK von c = 0,08 auf das Pigmentvolumen, so
ergibt sich

pro 1 Durchlauf
[0033] Dieser Wert erhöht sich direkt proportional mit der Zahl der Rezirkulationsvorgänge
des Lackes in der Ringleitung.
[0034] Es ist zu erkennen, daß die Scherbeanspruchungsintensität von Pigmentpartikeln im
Lack in Drosselarmaturen um den Faktor 4ooo- bis 5ooomal höher sein kann als im Rohr.
[0035] Untersuchungen zeigen aber gerade, daß der Dispersitätsgrad von Pigmenten in Lacken
dann verändert wird, wenn eine auf das Pigment einwirkende Scherströmung bei Energiedichten
von mehr als 3oc bis 5oo KWh/m
3 vorliegt. Dieser Grenzwert ist abhängig von der Art des Pigmentes und der Bindemittellösung.
[0036] Eine Veränderung des Dispersitätsgrades von Pigmenten in Lacken durch die Scherbeanspruchung
in Ringleitungen kann aber zu Verschiebungen der Farbstärke, des Farbtones und der
Glanzeigenschaften des Lackes führen.
[0037] Es ist festzustellen, daß die Instabilitätsschwelle eines Lackmaterials durch die
vorgegebene Beanspruchungsintensität und -häufigkeit insbesondere in Drosselarmaturen
und Pumpen von Lackversorgungsanlagen erreicht werden kann.
[0038] Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Anlagekonzept für Lackversorgungseinrichtungen
zu schaffen, welches die obengenannten Nachteile beseitigt.
[0039] Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen
genannten Verfahrensmerkmale gelöst, wobei zwei Lösungswege möglich sind, wie dies
die Aufteilung als Nebenansprüche deutlich macht.
[0040] Die die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnenden Einrichtungen sind in den Vorrichtungsansprüchen
definiert.
[0041] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen
zeigen dabei in

[0042] Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ist eine Ringleitungsanlage 1 vorgesehen, die im wesentlichen
aus einem Rohr bestehen kann, in dem mit einer Umwälzpumpe 2 das Lackmaterial zirkulierend
gefördert wird. Ausgangspunkt und Endpunkt dieser Ringleitungsanlage 1 ist ein Druckbehälter
3, aus dem die Umwälzpumpe 2 Lackmaterial abzieht und wieder hineinfördert.
[0043] Wesentlich ist, daß über dem Flüssigkeitsspiegel innerhalb des Druckbehälters 3 ein
erhöhter Druck mit einem Druckgas eingestellt wird. Dieser erhöhte statische Druck
herrscht im gesamten Ringleitungssystem und er sollte so hoch sein, daß an jeder Spritzstelle
4 ein ausreichendes Druckniveau vorhanden ist. Die Umwälzpumpe 2 muß bei diesem Anlagenkonzept
nur den dynamischen Druckabfall als Folge der Rohrströmung aufbringen und nicht, wie
in bisher üblichen Anlagen die Summe aus dynamischem Druckabfall und statischem Druck.
Weiterhin entfällt das Rücklaufkontrollventil, das in bisherigen Anlagen den Lackrücklaufstrom
um 3 bis 5 bar drosseln muß.
[0044] Ein Niveaustandregler für die Lackmenge im Druckbehälter 3 sorgt dafür, daß über
einen drucklosen Lackansatzbehälter 5 und über eine zweite aber kleinere Pumpe 6 frisches
Lackmaterial dem Drucksystem zugeführt wird. Diese Pumpe 6 hat den vollen statischen
Drucksprung zu überwinden, jedoch wird das Lackmaterial nur einmal mit dieser Pumpe
gefördert. Die Rohrleitungslänge dieses Anlagenkonzeptes würde der Länge der bisherigen
Anlagen entsprechen.
[0045] Wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, daß das Lackmaterial mit einer wesentlich
verringerten Scherbeanspruchungsintensität umgewälzt wird. Zudem kann der Vordruck
an den Spritzstellen 4 besser konstant gehalten werden.
[0046] Als Druckgas kann Stickstoff eingesetzt werden. Hierbei sind bisherige oxidative
Einflüsse auf das Lackmaterial beseitigt.
[0047] Das Druckdiagramm für diese Anlage geht aus Fig. 5 hervor. Der Lackansatzbehälter
5 ist drucklos, d.h. hier herrscht der Druck a. Der Druck wird dann über die Kolbenpumpe
6 angehoben auf den Wert c. Bei den mit d bezeichneten Bereichen sind die Druckstellen
für die Spritzpistolen angeordnet und in diesem Bereich wird der Druck über Materialdruckregler
7 gemäß Fig. 1 auf den Spritzdruck h eingeregelt.
[0048] Fig. 2 zeigt eine Anlage mit an beiden Enden des Druckbehälters angeordneten Druckgefäßen.
[0049] Bei dieser Anlage ist eine-Rohrstrecke L2 vorgesehen, die keine gesonderte Rückführung
aufweist, so daß nur die halbe Rohrlänge gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anlage
erforderlich ist. Jedoch sind bei dieser Anlage zwei Druckbehälter B2 und B3 vorgesehen,
die an den beiden Enden der Rohrstrecke L2 angeordnet sind. Das Lackmaterial wird
unter erhöhtem statischen Druck, der durch ein Gasdruckpolster über dem jeweiligen
Flüssigkeitsspiegel in den Druckbehältern B2 und B3 erzeugt wird, reversierend in
der Rohrstrecke L2 hin- und hergefördert. Hierzu wird einmal der Gasdruck in dem Behälter
B2 etwas höher eingestellt als der Gasdruck in dem Druckbehälter B3 und anschließend
umgekehrt. über Niveaustandregler in den beiden Druckbehältern werden die Druckumschaltzyklen
so gesteuert, daß mit Sicherheit ein Gasdurchschlag in der Rohrstrecke L2 vermieden
wird. Die Volumen der Behälter B2 und B3 sollten ein- bis zweimal größer sein als
das eigentliche Rohrvolumen der Strecke L2, um somit das im Rohr befindliche Material
nach jedem Reversierzyklus voll auszutauschen und zurückzuvermischen.
[0050] Durch den Reversierzyklus wird die Rohrleitung nicht nur in einer Richtung, sondern
in beiden Richtungen abwechselnd durchströmt. Dies verhindert in noch höherem Maße
Ablagerungen von Partikeln an der Rohrwandung und insbesondere an Flanschstellen und
ähnlichen unebenen übergängen. Weiterhin entsteht durch die beim Reversieren ständig
erzeugten Anlaufströmungen zeitweise turbulentes Strömungsverhalten, welches das Absetzen
von Partikeln in starkem Maße verhindert. Hiermit besteht die Möglichkeit zu kleineren
mittleren Strömungsgeschwindigkeiten von beispielsweise unter o,3 m/s überzugehen.
Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, nicht ständig zu reversieren, sondern im Takt
mit Stillstandsintervallen.
[0051] Die Druckgasversorgung der Druckbehälter B2 und B3 erfolgt über die Druckgasbehälter
B4 und B5 sowie die Leitungen L3, L4, L5 und L6. Mit K ist ein Kompressor bezeichnet,
der das Druckgas mit der Druckstufe h aus dem Druckbehälter B4 in den Druckbehälter
B5 auf die Druckstufe i komprimiert.
[0052] In Fig. 2 sind 3-Wegeventile V2 und V3 eingezeichnet, die von den Niveaustandsreglern
der Druckbehälter B2 und B3 gesteuert werden, wobei diese 3-Wegeventile die Druckbehälter
B2 und B3 abwechselnd mit dem höheren.Gasdruck i aus dem Druckbehälter B4 bzw. dem
niedrigeren Gasdruck h aus dem Druckbehälter B5 beaufschlagen. Die wirksame Druckdifferenz
(Druck i minus Druck h) ist für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung
L2 verantwortlich, während der Druck h gleich dem niedrigsten statischen Druck im
Versorgungssystem entspricht, der als konstanter Vordruck an den Spritzstellen wirkt
(siehe Fig. 6).
[0053] Der Kompressor K mit den zugeordneten Druckgasbehältern B4 und B5 kann mehrere Lackversorgungsanlagen
gleichzeitig versorgen und braucht daher nur einmal installiert zu werden. Da das
Druckgas im Kreis gefahren wird, sind die Gasverluste sowie auch die Lösungsmittelverluste
gering und es ist zu empfehlen, Stickstoff als Gas einzusetzen.
[0054] Stickstoff erhöht die Betriebssicherheit der Druckbehälter B2 und B3 und verhindert
oxidative Veränderungen am
Lackmaterial.
[0055] Die Niveaustandsregler der Druckbehälter B2 und B3 sorgen weiterhin dafür, daß das
beim Spritzen verbrauchte Lackmaterial aus dem Lackansatzbehälter B1 in dem Atmosphärendruck
a herrscht über die Pumpe P in ausreichender Menge als frischer Lack dem Drucksystem
über die Leitung L1 zugeführt wird.
[0056] Sind in der Lackierstraße Spritzstellen S enthalten, die nur selten in Funktion sind,
da sie z.B. für Lackmaterialien mit selten benutzten Farbtönen eingesetzt werden,
dann sind die Stichleitungen und Schlauchleitungen von der Ringleitung bzw. Pendelleitung
bis zur Spritzpistole mit Lackmaterial zu spülen, um ein Absetzen von Partikeln zu
verhindern.
[0057] Die ggf. erforderlichen Materialdruckregler sind in Fig. 2 mit V1 bezeichnet.
[0058] Fig. 3 zeigt schließlich die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe auf
Basis einer sogenannten Lackpendelleitung mit Spülung der Spritzstellenanschlüsse.
[0059] In der Pendelleitung L12 werden zwischen die Stichleitungen und Schlauchanschlüsse
d111 bis d
142- Magnetventile V
111 bis V
114 eingesetzt. Diese Magnetventile sind zeitweise entweder ganz offen oder ganz geschlossen.
Es erfolgt dann keine Drosselung des Lackstromes. Es darf jedoch immer nur ein einziges
Magnetventil zeitweise geschlossen sein. Die Steuerung, welches Magnetventil wann
und wie lange geschlossen wird, kann von einer Zeitschaltuhr vorgenommen werden. Es
ist hierbei belanglos, ob der Lackstrom in der Pendelleitung von rechts nach links
oder umgekehrt erfolgt. Wesentlich ist, daß bei geschlossenem Magnetventil der Differenzdruck
in den Druckbehältern B12 bzw. B13 eine Lackströmung in der Stichleitung bis zur Spritzpistole
einleitet.
[0060] Es ist ausreichend, wenn an jeder Spritzstelle diese Strömung in Zeitintervallen
für kurze Zeit erzeugt wird. Die Druckminderventile V
411 sind direkt an der Spritzpistole befestigt. Die Lackversorgung der Spritzpistole
ist in jedem Fall sichergestellt, gleichgültig, ob das korrespondierende Magnetventil
geschlossen oder geöffnet ist. Mit der Zeitschaltuhr können die Intervalle und die
Schließzeiten der Magnetventile individuell auf das Lackmaterial eingestellt werden.
[0061] Die übrigen Bauteile der Anordnung gemäß Fig. 3 tragen die gleichen Bezugszeichen,
wie die Anordnung gemäß Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 sind zwei mögliche Steuerungen
für einen sogenannten Rohrmolch M dargestellt. Bei einer Anordnung wird der Rohrmolch
über eine mechanische Stößelanordnung 1o gesteuert, während bei der anderen Anordnung
eine magnetische Blockiereinrichtung für den einen Eisenkern aufweisenden Rohrmolch
M vorgesehen ist.
[0062] Der Rohrmolch hat die Aufgabe, die Pendelleitung von Ansätzen und Ablagerungen freizuhalten.
Er kann dies bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ausführen und muß diese Aufgabe
bei reversierender Bewegung durchführen.
[0063] Der Rohrmolch soll gleichzeitig die Magnetventile ersetzen. Dies kann er, wenn er
zwischen den Stichleitungen zu den Spritzpistolen zeitweise angehalten wird und dabei
die Hauptströmungsrichtung in der Pendelleitung blockiert, so daß der Lackstrom über
die Stichleitung erfolgen muß. Das Anhalten und zeitweise Festhalten des Rohrmolches
an bestimmten Positionen der Pendelleitung kann beispielsweise über eine Induktionsspule
oder eine mechanische Vorrichtung durchgeführt werden.
1. Verfahren zur Versorgung von Lackierstraßen, insbesondere der Spritzstellen in
Spritzkabinen mit Lackmaterial mit einer Pumpe, die Lackmaterial in einer Ringleitung
fördert, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Lackspritzen notwendige Druckniveau mit
einem Druckbehälter und einem Druckgas über dem Flüssigkeitsspiegel eingestellt wird
und eine zweite Pumpe frisches Lackmaterial in den Druckbehälter fördert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckgas Stickstoff
eingesetzt wird.
3. Verfahren zur Versorgung von Lackierstraßen, insbesondere der Spritzstellen in
Spritzkabinen mit Lackmaterial, wobei eine der verbrauchten Lackmenge entsprechende
Lackmenge über eine Pumpe dem System zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Rohrstrecke für die Lackversorgung der Lackspritzstellen verwendet wird, die an beiden
Enden einen Druckbehälter besitzt, wobei die Druckbehälter mit einem Druckgas über
eine Steuerung so beaufschlagt werden, daß das Lackmaterial reversierend durch die
Rohrleitung gefördert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgas über eine geregelte
Verdichteranlage auf zwei unterschiedlichen Druckniveaus gehalten wird und das Druckgas
durch Kreisfahrweise wieder eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Verdichteranlage
und Druckgasversorgung mehrere Lackversorgungsstrecken gleichzeitig betrieben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 4 mit einer Lackpendelleitung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spritzpistolen durch zwei Schläuche an derselben Lackpendelleitung angeschlossen
sind und zwischen den beiden Anschlüssen ein Magnetventil vorgesehen ist, das über
eine Zeitschaltuhr in Intervallen voll öffnet und voll schließt, wodurch die Zu- und
Rückführungsschläuche bis zur Spritzpistole taktweise und reversierend mit Lackmaterial
gespült werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrmolch in der Pendelleitung
eingesetzt wird, der mit dem Lackmaterial reversierend durch das Rohr getrieben wird
und an den Stellen zwischen den Schlauchanschlüssen einer Spritzstelle eine intermittierend
betriebene Haltevorrichtung für den Rohrmolch vorgesehen ist, die den Rohrmolch zeitweise
anhält, so daß hierbei Lackmaterial durch die Schlauchanschlüsse zur Spritzpistole
strömt.
8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 mit einer Ringleitung
für Lackfarben und eine in die Ringleitung eingeschaltete Förderpumpe, gekennzeichnet
durch einen Druckbehälter (3) und eine den Druckbehälter (3) mit Lackfarben beschickende
Pumpe (6).
9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 3 bis 7, gekennzeichnet
durch zwei Druckbehälter (B2, B3) und eine Druckgassteuerung zur Förderung des Lackmaterials
in der Leitung (L2).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgassteuerung
über zwei Druckbehälter (B4, B5) und eine Kompressorpumpe (K) erfolgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen in die Rohrleitung eingesetzten
Rohrmolch (M).