Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotationszerstäuber mit Außenaufladung, der zum Aufbringen von leitfähigen Lacken, insbesondere Wasserlack auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Körpers verwendet werden kann. Rotationszerstäuber sind beispielsweise in der DE 31 30 096 C2, DE 31 51 929 C2 und EP 0 829 306 A2 beschrieben.

Der Wasserlack wird dabei zentral einer Glocke zugeführt, die sich mit hoher Geschwindigkeit dreht (10000 U/min bis 70000 U/min). Durch die Zentrifugalkraft wird der Lack zur Glockenkante geführt und von dort in Form kleiner Tropfen abgeschleudert. Die Tröpfchen bewegen sich damit im ersten Flug-Moment parallel zur Oberfläche des zu beschichtenden Objektes, das sich in Front des Zerstäubers befindet. Durch eine Luftströmung vom Zerstäuber in Richtung des zu beschichtenden Objektes werden die Tröpfchen dann in Richtung des zu beschichtenden Objektes gelenkt. Die Luft wird hinter der Glocke aus dem Zerstäuber aus Bohrungen oder Schlitzen geleitet. Um einen hohen Auftragswirkungsgrad zu erreichen werden die Tröpfchen elektrostatisch aufgeladen. Dies erfolgt durch Nadelelektroden, die radial um die Glocke angebracht sind und sich auf negativem Gleichspannungspotential befinden. Die Spannung liegt im Bereich zwischen - 40 kV und - 100 kV. Die dabei auftretenden hohen Feldstärken vor den Nadelspitzen (> 25 kV/cm) führen zu einer lonisierung der Luft vor den Nadelspitzen. Die dabei entstehenden Elektronen lagern sich an Luftmoleküle an und bilden negative Ionen, die sich im elektrischen Feld zu der auf Erdpotential befindlichen Glocke und zu dem geerdeten zu beschichtenden Objekt bewegen. Auf dem Weg dahin kreuzen sie die Tröpfchen und laden diese negativ auf. Auf die geladenen Tröpfchen wirkt eine Kraft in Richtung des zu beschichtenden Objektes, die durch die Wechselwirkung der elektrischen Ladung mit dem elektrischen Feld hervorgerufen wird. Dabei ist diese Kraft und damit der Auftragswirkungsgrad ist um so höher, je höher Feldstärke und Ladung sind. Für die angelegte Spannung ergibt sich eine Obergrenze. Ab einem vorgegebenen Spannungspegel schlagen die gleichmäßigen Koronaentladungen in sogenannte Streamer um. Diese führen einerseits zu einer sehr ungleichmäßigen Aufladung der Tröpfchen und können andererseits den Durchschlag zwischen den Nadelelektroden und der geerdeten Glocke einleiten.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß durch eine Verwirbelung an der Glockenkante Tröpfchen in Richtung des Zerstäuberkörpers gelenkt werden. In US 5,775,598 wird deshalb vorgeschlagen den Lenkluftring aus einem leitfähigen Material zu fertigen und diesen mit Erdpotential zu verbinden. Zwischen dem Zerstäuberkörper und der von der Glockenkante abgesprühten Tröpfchenwolke entsteht damit eine Raumladungswolke durch den Stromfluß der Ionen von den Nadelspitzen zum geerdeten Lenkluftring. Durch die abstoßenden Kräfte der negativ geladenen Tröpfchen und den negativen lonen soll eine Verschmutzung des Zerstäuberkörpers vermieden werden. Diese Anordnung hat weiterhin den Vorteil, daß die Lenkluftöffnungen in ein metallisches Teil eingebracht werden können. Damit ist gegenüber von Kunststoffteilen eine höhere Gleichmäßigkeit der Lenkluft gewährleistet, da die Fertigungstoleranzen bei Kunststoffteilen größer sind als bei Metallteilen. Weiterhin können die teilweise beobachteten Entladungen von der Turbine durch die Lenkluftöffnungen vermieden werden, die zu einer Zerstörung dieser führen.

Diese Anordnung hat jedoch entscheidende Nachteile:

• Der Abstand der Kante des Lenkluftrings zu den Nadelspitzen ist in der Regel kleiner als der Abstand der Glockenkante zu den Nadelspitzen. Dadurch wird nur ein kleiner Teil der an der Nadelspitze generierten negativen Elektronen zur Glockenkante gelenkt und die Feldstärke im Bereich der Glockenkante ist gering. Damit ist die Aufladung der Tröpfchen nicht ausreichend für einen hohen Wirkungsgrad.
• Die Kante des Lenkluftringes ist mit der Kunststoffoberfläche des Zerstäuberkörpers verbunden. Damit ergeben sich Grenzflächen an denen vergleichsweise stromstarke Entladungen (Streamer) einsetzen, die zu einer Zerstörung der Kunststoffoberfläche führen.

Ein weiterer Hochrotationszerstäuber, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist, ist aus US 4 771 949 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochrationszerstäuber mit Außenentladung und Lenkluftring anzugeben, mit dem ein erhöhter Wirkungsgrad bei verminderter Neigung zu Entladungen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Hochrotationszerstäuber mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es, den Lenkluftring auf ein Potential zu legen, das zwischen dem Erdpotential (Glocke und Turbine) und dem Hochspannungspotential der Nadelspitzen liegt. Dazu ist der Lenkluftring nicht direkt geerdet sondern über einen ohmschen Widerstand mit dem Erdpotential verbunden.

Ausführungsbeispiele sind in Zeichnungsfiguren dargestellt und nachstehend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1

einen Ausschnitt aus einem Zerstäuber mit Lenkluftring, Sprühglocke, und wenigstens einem Widerstandsbauteil zur hochohmigen Verbindung des Lenkluftrings mit Erdpotential,

Fig. 2

einen Zerstäuber gemäß Fig. 1 und zusätzlichem Isolierteil auf die Glocke,

Fig. 3

einen Zerstäuber gemäß Fig. 1 mit einer alternativen Ausführung der hochohmigen Verbindung,

Fig. 4

eine vergrößerte Darstellung von Maßnahmen zur Feldstärkereduzierung an Kanten des Lenklüftrings,

Fig. 5

alternative Maßnahmen zur Feldstärkereduzierung, und

Fig. 6

ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Zerstäuber mit einer Turbine 3, die aus einem leitfähigen Material (Metall und Kohlenstoff) gefertigt ist. Diese ist unmittelbar geerdet. Die Turbine ist in der Regel mit einer Luftlagerung versehen. Es sind aber auch Wälzlager möglich. Die Welle 4 der Turbine 3 ist eine Hohlwelle, in der sich die leitfähige Farbzuleitung 5 und die hier nicht dargestellten Lösemittelzuleitung und Farbrückleitung befinden. An der Stirnseite der Welle 4 ist die Glocke 6 angebracht, die in der Regel aus Metall gefertigt ist. Die im Farbrohr 5 zugeführte Farbe tritt durch die Öffnungen 7 und 8 aus und läuft auf der Stirnseite der Glocke 6 zu der Glockenkante, von der die Farbe abgesprüht wird. Die Turbine 4 ist von einem Gehäuse 1 aus nichtleitfähigen Material (in der Regel Kunststoff) umgeben. Durch entsprechende Bauteile aus Isolierstoff 2, 9, 11 wird die Luft 20, 21 zur Front des Zerstäubers geführt. Der aus leitfähigen Material gefertigte Lenkluftring 13 besitzt Öffnungen 12 für die Lenkluft 21. Der Lenkluftring 13 ist über einen oder mehrere parallele Widerstände 17 (Widerstandsbauelemente) elektrisch mit der Turbine 3 verbunden. Eine gute Kontaktierung kann z.B. durch Federn 16 erreicht werden.

Da im Betrieb der Lenkluftring 13 auf einen anderen Potential (z.B. -10 kV) als die geerdete Glocke 6 befindet, ist zu gewährleisten, daß keine Überschläge zwischen dem Lenkluftring 13 und der Glocke 6 auftreten. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der leitfähige Lenkluftring 13 zur Glocke hin mit einem Isolierteil 11 versehen, das vor allem die Kante des Lenkluftringes 13 abdeckt. Durch Öffnungen 10 in diesem Isolierring 11 wird weiterhin eine Zusatzluft 20 geführt, die Luftverwirbelungen an der Glockenkante vermeidet. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Glocke 6 zusätzlich an der Außenseite mit einem Isolierteil 22 bedeckt, um die Sicherheit gegen Überschläge weiter zu erhöhen.

Die Verbindung zwischen dem Lenkluftring 13 und der geerdeten Turbine 2 kann auch über Bauteile 23 erfolgen, die aus einem Material gefertigt sind, das entsprechend den gleichen elektrischen Widerstand besitzt, wie die oben aufgeführten Widerstände 17. Dies ist in Fig. 3 als Ausführungsbeispiel dargestellt.

Eine weitere in der Zeichnung nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, den Lenkluftring 13 selbst aus hochohmigem Material zu fertigen und mit Erde zu verbinden. Dabei sollte der Widerstand zwischen der Kante des Lenkluftringes, die den Nadelelektroden zugewandt ist, und dem Erdpotential im Bereich von 10 MΩ bis 500 MΩ liegen.

Für einen sicheren Betrieb ist anzustreben, daß an der Kante des Lenkluftringes 13, die den Elektrodenhalter 18 mit den Nadelelektroden 19 zugewandt ist, keine hohen Feldstärken auftreten, die zu Streamer-Entladungen führen. Dazu kann zwischen dem leitfähigen Lenkluftring 13 und der Kunststoffabdeckung 15 eine hochohmige Verbindung eingebracht werden, die das Potential abbaut. Im Fig. 4 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel dargestellt. Zwischen den Lenkluftring 13 und die Kunstoffabdeckung 15 ist ein Ring 14 aus hochohmigen Material (z.B. Kunststoff mit beigemengten Graphit oder Ruß) gelegt. Dieser muß um den gesamten Umfang schlüssig die Kunststoffabdekkung 15 berühren. Luftspalte müssen auf jeden Fall sowohl zwischen dem hochohmigen Ring 14 und der isolierenden Kunststoffabdeckung 15 als auch zwischen dem hochohmigen Ring 14 und dem Lenkluftring 13 vermieden werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in dem in Fig. 5 dargestellten Überzug der Vorderkante der Kunststoffabdeckung 15 mit einem hochohmigen Material 24, z. B. Lack. Dabei ist wiederum darauf zu achten, daß keine Luftspalte entstehen. Es sind auch Kombinationen der beiden in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten Maßnahmen möglich.

Das stark vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild ist in Fig. 6 dargestellt. Der elektrische Stromkreis besteht aus Gasentladungsstrecken

• zwischen den Nadelspitzen und dem geerdeten, zu beschichtenden Objekt 25,
• zwischen den Nadelspitzen und der geerdeten Glocke 26,
• zwischen den Nadelelektroden und dem Lenkluftring 27,

• zwischen den Nadelspitzen und dem geerdeten zu beschichtenden Objekt$${\text{I}}_{\text{o}}{\text{= c}}_{\text{o}}{\text{(U - U}}_{\text{0o}}{\text{)}}^{\text{2}}\text{;}$$
• zwischen den Nadelspitzen und der geerdeten Glocke$${\text{I}}_{\text{g}}{\text{= c}}_{\text{g}}{\text{(U - U}}_{\text{0g}}{\text{)}}^{\text{2}}\text{;}$$

• zwischen den Nadelelektroden und dem Lenkluftring$${\text{I}}_{\text{l}}{\text{= c}}_{\text{l}}{\text{(U - U}}_{\text{l}}{\text{- U}}_{\text{0l}}{\text{)}}^{\text{2}}$$

Die Spannung am Lenkluftring U_l ergibt sich aus dem Strom zum Lenkluftring I_l und dem elektrischen Widerstand zwischen Lenkluftring und Erde R_l$${\text{U}}_{\text{l}}{\text{= I}}_{\text{l}}{\text{R}}_{\text{l.}}$$

Der Gesamtstrom des Zerstäubers ist die Summe der drei Teilsiröme zum geerdeten Objekt I_o, zur geerdeten Glocke I_g und zum Lenkluftring I_l.$${\text{I = I}}_{\text{o}}{\text{+ I}}_{\text{l}}{\text{+ I}}_{\text{g.}}$$

Im elektrischen Sinne handelt es sich hier um eine Mehrelektrodenanordnung mit verschiedenen Potentialen. In erster Näherung kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die Parameter c_o, c_g, c_l, U_0o, U_0g und U_0l allein von der Geometrie und nicht von Potentialen abhängig sind. Damit wird der Zerstäuber in erster Näherung durch die aufgeführten fünf Gleichungen beschrieben.

Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß sich eine sehr gute Leistung des Zerstäubers (hoher Auftragswirkungsgrad und geringe Verschmutzung) ergibt, wenn der Strom zur Glocke ca. 400 µA, der Strom zum Objekt ca. 100 µA und der Strom zur Glocke ca. 100 µA beträgt. Diese Abstimmung hängt nicht nur vom Widerstand sondern auch von der Position der Nadelelektroden ab. Generell erweisen sich Widerstände im Bereich von 10 MΩ bis 500 MΩ als geeignet.

1

Gehäuse aus Isoliermaterial (z.B. Kunststoff)

2

Bauteil aus Kunststoff

3

Turbine mit Luftlagerung (leitfähig mit Erdpotential verbunden)

4

Hohlwelle (leitfähig)

5

Farbrohr (leitfähig)

6

Glocke (leitfähig)

7

Farb- und Lösemittelöfnungen

8

Farb- und Spülmittelöffnungen

9

Bauteil aus Isolierstoff

10

Öffnung für Zusatzluft (Bohrungen oder Spalt)

11

Bauteil aus Isolierstoff

12

Öffnungen für Lenkluft (Bohrungen oder Spalt)

13

Lenkluftring aus leitfähigen Material

14

Ring aus hochohmigen Material zur Feldsteuerung

15

Ring aus Isolierstoff

16

Feder

17

Ohmscher Widerstand Bauteil

18

Elektrodenhalter

19

Nadelelektrode (negative Gleichspannung)

20

Zusatzluft zur Vermeidung von Verwirbelungen an der Glockenkante

21

Lenkluft

22

Außenisolierung der Glocke

23

Bauteil aus hochohmigen Material

24

Überzug aus hochohmigen Material

25

Ersatzschaltbild für die Gasentladungsstrecke zwischen Nadelelektroden und geerdeten zu beschichtenden Objekt

26

Ersatzschaltbild für die Gasentladungsstrecke zwischen Nadelelektroden und geerdeter Glocke

27

Ersatzschaltbild für die Gasentladungsstrecke zwischen Nadelelektroden und Lenkluftring

28

Widerstand zwischen leitfähigen Lenkluftring und Erde

U

Spannung an den Nadelspitzen

U_l

Spannung am Lenkluftring

I

Gesamtstrom des Zerstäubers

I_o

Strom von den Nadelspitzen zum geerdeten zu beschichtenden Objekt

I_g

Strom von den Nadelspitzen zur geerdeten Glocke

I_l

Strom von den Nadelspitzen zum Lenkluftring

R_l

Widerstand zwischen leitfähigen Lenkluftring und Erde

c_o, c_g, c_l, U_0o, U_0g und U_0l

Parameter der Gasentladungsstrecken