[0001] Die Erfindung betrifft eine Sprühpistole mit elektrokinetischer Aufladung von pulverförmigem
Material zur elektrostatischen Oberflächenbeschichtung von Gegenständen mit Pulverlack.
Sie kann sowohl als manuell oder automatisch geführtes Sprühgerät als auch als Aufladeorgan
in Wirbelbett- oder Tunnelanlagen verwendet werden. Als Beschichtungsstoffe sind
thermoreaktive oder thermoplastische Kunststoffe, Emaille oder ähnliche Materialien
in Pulverform einsetzbar.
[0002] Es sind Sprühgeräte für die elektrostatische Oberflächenbeschichtung bekannt, bei
denen der pulverförmige Beschichtungsstoff beim pneumatischen Durchströmen eines speziellen
Kanals, der aus einem zur triboelektrischen Aufladung neigenden Isolierstoff besteht,
durch Reibungseffekte elektrisch aufgeladen und in der Austrittsöffnung des Kanals
durch Strömungsleitelemente (Prallkörper) oder radiale Luftstrahlen zu einer hochdispersen
Pulverwolke zerstäubt wird (DE 1577757, DE 2203351 und DE 2257316).
[0003] Der Nachteil dieser Geräte besteht darin, daß nur Pulver, die zu einer sehr hohen
triboelektrischen Aufladung neigen, eingesetzt werden können. Sie arbeiten außerdem
mit einer relativ geringen Pulverkonzentration im Trägergas, um durch häufigen Kontakt
der Pulverteilchen mit der Innenwand des Strömungskanals eine verfahrenstechnisch
ausreichende Pulveraufladung zu erzielen.
[0004] Zur Erhöhung der elektrischen Ladung der Pulverteilchen wurden verschiedene Maßnahmen
vorgeschlagen, die auf eine Verstärkung der Turbulenz der Strömung und damit der Intensität
und Häufigkeit der Wandberührungen durch die Pulverteilchen hinzielen, so die Verwendung
von Flächenprofilierungen in der Kanalwand (DE 2209231), die Gestaltung des Strömungskanals
in Form langer gekrümmter Laderohre kleinen Querschnittes (DE 3100002) und der Einsatz
eines Reibkegels (DD 134841) oder eines Strömungsleitkörpers mit spiralförmigen Nuten
oder Kanälen (DE G 8516746) im Isolierstoffkanal (DD 134841) oder spezieller Wirbelerzeugungseinrichtungen
in Form von Leitschaufeln (DE 2938606), Propeller (US 3.905.330) oder einem Gebläserrad
(DE 2451514).
Ferner sind konstruktive Ausführungsformen des triboelektrischen Aufladekanals bekannt,
bei denen im AbSchnitt der Pulvereinströmung oder in der Austrittsöffnung durch
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit an gekrümmten Isolierstofflächen mittels zusätzlicher
Luftstrahlen ein Unterdruck erzeugt wird, der die Pulverteilchen an die Isolierstoffoberfläche
führt (DE 2713697) oder durch Erzeugung einer schraubenlinienförmigen Teilchenbahn
(DE 2756009) eine intensivere Wandberührung verursacht wird.
[0005] Weiterhin sind Lösungen für elektrostatische Sprühgeräte bekannt, bei denen das Pulver
durch Überlagerung triboelektrischer Effekte mit von diesen ausgelösten Ionisationsprozessen
aufgeladen wird (DD 106308, DD 232595). Diese Sprühgeräte enthalten in der Eingangszone
des triboelektrischen Aufladekanals eine als passiver Influenzionisator wirkende
geerdete Elektrode. Die in einem Trägergas dispergierten Pulverpartikel erhalten zunächst
eine Ladung durch triboelektrische Effekte bei der Berührung der Wandflächen des Isolierstoffkanals.
Während die Ladung der Pulverteilchen mit der Strömung kontinuierlich aus dem Kanal
heraustransportiert wird, verbleibt auf der Wand des Isolierstoffkanals eine gleichgroße
Ladung entgegengesetzter Polarität. Sie wächst ständig an und influenziert auf der
geerdeten Elektrode eine Ladung mit gleicher Polarität wie die Pulverladung, bis das
sich zwischen beiden Ladungen ausbildende Feld die elektrische Festigkeit des Trägergases
übersteigt und vor der Elektrode eine Gasionisation einsetzt.
[0006] Die sich zur Wand des Isolierstoffkanals bewegenden Gasionen haben die gleiche Polarität
wie die triboelektrisch erzeugte Pulverladung. Sie führen zu einer Kompensation
der Flächenladung auf der Wand des Isolierstoffkanals und regenerieren damit die
Oberfläche für eine weitere triboelektrische Aufladung. Gleichzeitig lagert sich ein
Teil der Ionen an die vorbeiströmenden Pulverpartikel an und erhöht damit deren triboelektrisch
erzeugte Ladung beziehungsweise werden auch die neutralen Pulverteilchen, die ohne
Wandberührung den Kanal durchströmen, elektrisch aufgeladen.
[0007] Nachteil dieser Lösungen ist, daß die Ionisationsprozesse in einem engen Strömungskanal
erfolgen, der meist als schmaler Ringspalt ausgebildet ist, und dessen Isolierstofflächen
bezüglich des axialen elektrischen Feldes abschirmend wirken, so daß der Wirkungsbereich
der Ionisatorelektrode auf den Anfangsabschnitt des Isolierstoffkanals begrenzt ist.
Die sich in entfernteren Be reichen ansammelnden hohen Flächenladungsdichten können
zu störenden funkenähnlichen Gleitentladungen längs der Innenfläche des Isolierstoffkanals
oder sogar zu Durchschlägen der Kanalwand führen.
[0008] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe eine Sprühpistole mit elektrokinetischer Pulveraufladung
zu schaffen, die sich durch höhere und stabilere Pulveraufladung und Unterdrückung
funkenähnlicher Gleitentladungen im Isolierstoffkanal sowie durch die Verhinderung
von elektrischen Durchschlägen auszeichnet.
[0009] Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß durch
die Verwendung eines elektrisch halbleitenden Materials für den vorderen Stababschnitt
der Wirkungsbereich der Influenzionisatorelektrode wesentlich erweitert wird. Durch
Sprühentladungen von der Oberfläche des Stabes zu den Flächenladungen auf der gegenüberliegenden
Innenwand des Hohlstabes und auf den nachfolgenden Kanalabschnitten werden durch
Neutralisation dieser Ladungen günstige Bedingungen für die weitere triboelektrische
Aufladung geschaffen. Zugleich lädt sich der halbleitende Stababschnitt auf ein hohes
Potential mit entgegengesetzter Polarität wie die Pulverladung auf, was die Ausbildung
einer stabilen Koronaentladung von der Influenzionisatorelektrode zu diesem Stababschnitt
zur Folge hat, so daß die diese Zone passierenden Pulverteilchen durch Anlagerung
von Gasionen zusätzlich aufgeladen werden. Zugleich begrenzt die Koronaentladung
des Potential des halbleitenden Stababschnittes.
[0010] Die Verwendung eines halbleitfähigen Stababschnittes hat weiterhin den Vorteil, daß
die Flächenladungsdichte auf der Innenwand des Hohlstabes auf einen niedrigen Wert
begrenzt wird, so daß sich im Isolierstoffkanal keine funkenähnliche Entladungen und
keine elektrischen Durchschläge der Kanalwand ausbilden können.
[0011] Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele ausführlich erläutert.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen Schnittdarstellungen verschiedener Ausbildungsformen
der erfindungsgemäßen Lösung:
Figur 1: eine Sprühpistole mit einem elektrisch halbleitenden Abschnitt des zylindrischen
Strömungsleitkörpers;
Figur 2: den Isolierstoffkanal mit bei konstantem Strömungsquerschnitt sich im Durchmesser
erweiterndem Strömungsleitkörper, der mehrere halbleitende Stababschnitte enthält;
Figur 3: den Hohlstab und Strömungsleitkörper mit Abschnitten, die eine kegelförmige
Mantelfläche besitzen und
Figur 4: eine Sprühpistole mit einem Strömungskanal in Form eines doppelten Ringspaltes.
[0012] Das Prinzip der erfinderischen Lösung ist sehr deutlich in der Figur 1 zu erkennen.
Das in einem Trägergasstrom dispergierte Pulver wird durch einen Zuführungskanal 1,
der tangential in den Isolierstoffkanal einmündet, zugeführt. Dem zweiten Zuführungskanal
2 wird ein Druck gas, in der Regel Luft, zugeführt, das durch Bohrungen in der Elektrodenhalterung
3 und den ringspaltförmigen Kanal zwischen der nadelförmigen Influenzelektrode 6 und
der Isolierstoffumhüllung 5 in den nachfolgenden Strömungskanal eingeblasen wird.
Das Gas umspült dabei die Influenzelektrode allseitig und verhindert so ein Ansintern
des Pulvers. Ober den Kontaktring 4 ist die Influenzelektrode 6 an Erdpotential angeschlossen.
Der Grundkörper 7 kann sowohl aus Isolierstoff als auch aus einem leitenden Material
gefertigt sein.
[0013] Der nachfolgende ringspaltförmige Strömungskanal dient zur elektrischen Aufladung
des Pulvers. In einem Hohlstab 8 aus zur triboelektrischen Aufladung neigendem Isolierstoff
ist ein aus den Stababschnitten 10 und 11 bestehender zylindrischer Strömungsleitkörper
mit einer kegelförmigen Spitze 9 zur Aufteilung der Strömung eingesetzt, wobei erfindungsgemäß
der sich an die Spitze anschließende Stababschnitt 10 mit einer Länge von 25 bis 75
% der Länge des Strömungskanals aus elektrisch halbleitendem Material besteht, während
der nachfolgende Abschnitt 11 des Stabes aus dem gleichen Isolierstoff wie der Hohlstab
gefertigt ist. Die beiden gegeneinander um 90° versetzten Bügel 13 dienen der zentrischen
Halterung des verschiebbaren Stabes.
[0014] Der halbleitende Stababschnitt kann auch in mehrere Teilstücke aufgeteilt sein,
die durch Zwischenstücke aus Isolierstoff gegeneinander isoliert sind (diese Lösung
wurde nicht in der Zeichnung dargestellt).
[0015] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 2 ist der zentrische
Strömungsleitkörper mittels eines Zentrierstabes 14 abwechselnd aus zylindrischen
und kegelstumpfförmigen Abschnitten zusammengesetzt. In jedem der kegelstumpfförmigen
Abschnitte 11a und 11b nimmt der Durchmesser des Strömungsleitkörpers zu. Die Innenfläche
des Hohlstabes 8 ist durch buchsenförmige Einsätze aus dem gleichen Isolierstoff
der Stabform so angepaßt, daß die ringförmige Querschnittsfläche des Strömungskanals
konstant bleibt. Die zylindrischen Zwischenabschnitte 10a, 10b und 10c bestehen aus
elektrisch halbleitfähigem Material. Ihre Oberflächen sind jeweils auf der strömungsabgewandten
Seite angeordnet, so daß Pulveranlagerungen unterdrückt werden.
[0016] In einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung, dargestellt in Figur 3, sind Stababschnitte
mit zylindrischer und kegelförmiger Mantelfläche so hintereinander angeordnet und
die Innenfläche des umhüllenden Hohlstabes durch entsprechende Einsätze 15a und 15b
so angepaßt, daß sich ein im Querschnitt konstanter, im mittleren Durchmesser aber
periodisch ändernder ringförmiger Strömungskanal ergibt, was eine sich mehrfach ändernde
Strömungsrichtung zur Folge hat und durch eine intensivere Wandreibung zu einer höheren
triboelektrischen Aufladung führt. Die Stababschnitte 10a und 10d mit zur Strömungsrichtung
abgewandter Oberfläche sind aus elektrisch halbleitendem Material hergestellt oder
besitzen eine solche Oberfläche. Sie sind in unmittelbarer Nähe der Isolierstofflächen
mit intensiver Wandberührung angeordnet und erleichtern dort die Ladungsneutralisation.
[0017] Ein anderes zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der Erfin dung zeigt Figur 4. Das Pulver
wird über den axialen Kanal 1, 16 zugeführt und durchströmt dabei die Influenzionisatorelektrode
17 die eine scharfe Vorderkante aufweist und ringförmig ausgebildet ist und durch
die Kanäle 18 ebenfalls gasumspült ist um Verkrustungen durch anhaftendes Pulver
zu vermeiden. Das Druckgas wird dem Zuführungskanal 2 zugeführt. Durch Einsatz einer
rohrförmigen Hülse 20 zwischen Hohlstab 8 und Innenstab 10 wird ein Teil der Länge
des Isolierstoffkanals als doppelter Ringspalt ausgebildet, der vom Pulver durchströmt
wird.
[0018] Erfindungsgemäß ist auf der Länge dieses Abschnittes die konzentrische Hülse und/oder
der zentrische Stab 10 ganz oder teilweise aus halbleitendem Material hergestellt.
Der Stab 10 und die Hülse 20 werden durch die sternförmigen Zentrierelemente 19 in
ihrer Position gehalten. Der Strömungsquerschnitt ist über die Gesamtlänge des Strömungskanals,
das heißt im Abschnitt des Doppelspaltes und im nachfolgenden Einfachspalt, im wesentlichen
konstant. Durch die Vergrößerund der Oberfläche relativ zum Querschnitt werden die
triboelektrischen Effekte stark intensiviert, ohne daß der Strömungswiderstand zunimmt.
[0019] Als besonders vorteilhaft für die elektrisch halbleitenden Abschnitte des Strömungsleitkörpers
wurde ein Material gefunden, das eine elektrische Leitfähigkeit von 10⁻⁹ bis 10⁻⁶
S m⁻¹ aufweist, vorzugsweise 10⁻⁸ bis 10⁻⁷ S m⁻¹. In diesem Bereich ist die Leitfähigkeit
der Stababschnitte zwar hoch genug, daß sich eine gleichmäßig über die Oberfläche
verteilte Gasionisation aus bilden kann, sie reicht aber noch nicht zur Bildung von
Funkenentladungen zu anderen Stababschnitten oder geerdeten leitfähigen Teilen der
Sprühpistole beziehungsweise zum Werkstück aus. Die gleiche Wirkung wird bei der
Verwendung von Isolierstoff mit einer halbleitenden Oberflächenschicht erreicht, deren
spezifischer Oberflächenwiderstand R₀ 10⁸ bis 10¹⁰ Ohm beträgt, vorzugsweise (0,5...5)
10⁹ Ohm, gemessen mit zwei 10 cm langen Schneidenelektroden in 1 cm Abstand nach dem
DDR-Standard TGL 15347.
[0020] Als sehr günstiger Werkstoff für die halbleitenden Stababschnitte hat sich das zur
triboelektrischen Aufladung neigende Polytetrafluorethylen (PTFE) mit 3 bis 12 % Graphitanteil
erwiesen.
1. Sprühpistole mit elektrokinetischer Aufladung von pulverförmigem Material in einem
vom Pulver durchströmten Isolierstoffkanal, der aus einem Hohlstab und einem darin
zentrisch angeordneten länglichen Strömungsleitkörper besteht und ringspaltartig ausgebildet
ist und in dessen Eingangszone eine als passiver Ionisator wirkende vorzugsweise
geerdete Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrische Strömungsleitkörper
einen oder mehrere Abschnitte enthält, die aus elektrisch halbleitendem Material bestehen
oder eine solche Oberflächenschicht besitzen und gegenüber der Ionisatorelektrode
sowie untereinander elektrisch isoliert sind.
2. Sprühpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitkörper
als zylindrischer Stab mit einer kegelförmigen Spitze (9) ausgebildet ist und ein
bezüglich der Strömungsrichtung am Anfang liegender Stababschnitt (10) von 25 bis
75 % der Stablänge aus elektrisch halbleitendem Material besteht oder eine solche
Oberfläche besitzt, während die übrigen Teile des Strömungskörpers (11, 12) aus dem
gleichen, zur triboelektrischen Aufladung geeigneten Isolierstoff wie der Hohlstab
(8) bestehen.
3. Sprühpistole nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Strömungsleitkörper
aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt ist, wobei abwechselnd Abschnitte aus elektrisch
halbeitendem Material und Abschnitte aus zur triboelektrischen Auf ladung neigendem
Isolierstoff aufeinanderfolgen.
4. Sprühpistole nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitkörper
aus Abschnitten mit zylindrischer und Abschnitten mit kegelförmiger Mantelfläche zusammengesetzt
und die Innenwand des Hohlsabes diesem Verlauf entsprechend angepaßt ist, so daß ein
im Querschnitt im wesentlichen konstanter Strömungskanal mit sich abschnittsweise
ändernder Strömungsrichtung entsteht, wobei einzelne Abschnitte (10a bis d) des Strömungsleitkörpers,
vorzugsweise solche mit strömungsabgewandter Oberfläche, aus elektrisch halbeitendem
Material bestehen oder eine solche Oberflächenschicht besitzen.
5. Sprühpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Teil der Kanallänge
zwischen dem zentrischen Stab und der Innenwand des Hohlstabes (8) eine rohrförmige
Hülse koaxial so angeordnet ist, daß ein doppelter Ringspalt entsteht, wobei der innere
Stab (10) und/oder die rohrförmige Hülse (20) aus elektrisch halbleitendem Material
bestehen.
6. Sprühpistole nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch
halbleitenden Abschnitte des Strömungsleitkörpers aus einem Material mit einer elektrischen
Leitfähigkeit von 10⁻⁹ bis 10⁻⁶ S m⁻¹ bestehen.
7. Sprühpistole nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch
halbleitenden Abschnitte des Strömungsleitkörpers aus einem Isolierstoff mit einer
elektrisch halbeitenden Oberflächenschicht bestehen, deren spezifischer Oberflächenwiderstand
10⁷ bis 10¹⁰ Ohm gemessen mit zwei 10 cm langen Schneidenelektroden in 1 cm Abstand
(nach DDR-Standard TGL 15367) beträgt.
8. Sprühpistole nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch
halbleitenden Abschnitte des Strömungsleitkörpers aus zur triboelektrischen Aufladung
neigendem Isolierstoff mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln bestehen.
9. Sprühpistole nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch halbleitenden
Abschnitte des Strömungsleitkörpers aus Polytetrafluoräthylen mit 3 bis 12 % Graphit
bestehen.