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Elektrostatische Farbspritzanlage
Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Farbspritzanlage mit einer Spritzpistole, einer Werkstück- führung und mit einer oder mehreren an eine Hochspannungsquelle angeschlossenen Stiftelektroden, wo- bei Strombegrenzungswiderstände vorgesehen sind.
Zweck dieser Erfindung ist die Schaffung eines elektrostatischen Spritzverfahrens, bei welchem der Djrchschnitts-Gradientdes elektrostatischen Niederschlagsfeldes trotz veränderlicher Entfernung zwischen dem mit der Flüssigkeit zu überziehenden Gegenstand und der Elektrode, zwischen welchen sich das elek- trostatische Niederschlagsfeld erstreckt, auf bestimmten Mindestwerten gehalten werden kann.
Weiter bezweckt diese Erfindung die Schaffung eines elektrostatischen Spritzverfahrens, welches die
Möglichkeit von gefährlichen Überschlagsentladungen auch dann ausschliesst, wenn die Elektrode in un- mittelbare Nähe des zu überziehenden Gegenstandes oder der den Apparat bedienenden Menschen gerät.
Verschiedene Arten von elektrostatischen Spritzverfahren sind bereits mit Erfolg verwendet worden ; so sind z. B. Verfahren angewendet worden, welche Spritz-oder Zerstäubungsgeräte verwenden, bei de- nen Luft als Zerstäubungsmedium dient. Bei solchen Verfahren ist in der Regel eine Elektrode in der Form eines Drahtgitters vorgesehen, welches, auf hohem Potential gehalten, ein elektrostatisches Niederschlags- feld schafft, das sich von der aufgeladenen Elektrode zu einem der zu überziehenden Gegenstände als der andern Elektrode erstreckt.
Bei solchen Verfahren schleudert eine Spritzpistole die zerstäubten Farb- und
Lackteilchen od. dgl., in das elektrostatische Feld ; hiedurch werden diese zerstäubten Teilchen hinsicht- lich des zu überziehenden Gegenstandes mit entgegengesetzter Polarität elektrostatisch aufgeladen und auf diesem abgelagert.
Auch andere Verfahren können verwendet werden, wie z. B. solche, bei denen die zu spritzende Flüs- sigkeit durch andere mechanische Mittel als komprimierte Luft, z. B. durch Zentrifugalkraft oder durch die Einwirkung von Druck zerstäubt wird. Bei solchen Zerstäubungsverfahren werden die zerstäubten Teilchen ebenfalls in ein elektrostatisches Niederschlagsfeld geschleudert, das zwischen einer Elektrode und dem mit der Spritzflüssigkeit zu überziehenden Gegenstand aufrechterhalten wird.
Da viele der verwendeten Spritzflüssigkeiten feuergefährlich sind, war es bisher notwendig, einen Mindestabstand zwischen den Elektroden und dem zu überziehenden Gegenstand einzuhalten, um die Bildung von Funken oder Explosionen auslösenden Lichtbögen zu vermeiden. Man hat daher den Gebrauch der verschiedenen Spritzverfahren auf solche Einrichtungen beschränkt, in denen die aufgeladene Elektrode zu dem mit der Spritzflüssigkeit zu überziehenden Gegenstand in einem unveränderlichen Abstand gehalten wird. Da die mit der Flüssigkeit zu überziehenden Gegenstände auf einem Fliessband an dem Zer- stäuber vorbeigeführt werden, so wird die Elektrode gewöhnlich in einem bestimmten Abstand vom Fliessband fest montiert.
Diese Entfernung muss erheblich grösser sein als die grösste Entfernung der Gegenstände, beider Funken noch auftreten können, um mögliche Abstandsveränderungen, wie sich durch verbogene Aufhängevorrichtungen oder durch Schwingen der Gegenstände verursacht werden können, zu berücksichtigen.
Die Vermeidung von Durchschlägen von der Elektrode ist aber auch dann anzustreben, wenn die zu spitzende Flüssigkeit nicht feuergefahrlich ist. Wenn nämlich das bedienende Personal in zu grosse Nähe der Elektrode gerät, führt dies zuheftigen und schmerzhaften elektrischen Schlägen, auch wenn die Strom-
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stärke unter der Todesgefahrengrenze gehalten wird.
Aus dem Gesagten ergibt sich, dass die oben beschriebenen Verfahren es notwendig machen, den Ab- stand zwischen den Elektroden und dem mit der Flüssigkeit zu überziehenden. Gegenstand unter eine ge- wisse vorausberechnete Mindestgrösse nicht herabsinken zu lassen. Bei bekannten Spritzpistolen umgeben
Stiftelektrodenden Düsenkopf unmittelbar, so dass verhältnismässig hohe Kapazitäten wirksam sind. Die
Folge davon ist, dass energiereiche, feuergefährliche und das Bedienungspersonal gefährdende Überschlä- ge erfolgen können, wobei eventuell vorhandene Berührungsschutzwiderstände fast wirkungslos sind.
Es wurde gefunden, dass bei Verfahren der oben beschriebenen Art der Gradient des elektrischen Fel- des auf Werten gehalten werden kann, welche die Wirksamkeit der Zerstäubung und die Niederschlagung der Flüssigkeit auf dem Gegenstand gewährleisten, auch wenn sich der Abstand zwischen Elektrode und
Gegenstand verändert. Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit, jeden Funkenüberschlag, der bei ge- ringen Abständen zwischen den Elektroden und dem Gegenstand oder der Bedienungsperson entstehen kann, ungefährlich zu machen.
Die Erfindung besteht darin, dass die Stiftelektroden getrennt von der geerdeten Spritzpistole angeord- net sind, und dass unmittelbar an sie je ein Strombegrenzungswiderstand angeschlossen ist, dessen Wider- stand einige bis 100 Megohm je Kilovolt der an die Elektroden angelegten Hochspannung beträgt, wobei die Kapazität jeder Elektrode und des zwischen ihr und dem Widerstand liegenden Leitungsmaterials klei- ner als diejenige einer Metallkugel von 3 cm Radius ist.
Die erwähnte Kapazität ist als effektive Kapazität anzusprechen und ist abhängig von der Leitfähigkeit aller stromleitenden Teile des gesamten Elektrodensystems sowie von spitzen oder stumpfen Formen der Elektroden. Diese niedrige Kapazität hat zur Folge, dass die Energie bei einer plötzlichen Entladung zwischen einem solchen Elektrodensystem und einer gegenüber angeordneten sogenannten stumpfen Elektrode nicht ausreicht, um eine unangenehme Entladung zu bewirken.
Wenn z. B. den Elektroden einer er- findungsgemässen Vorrichtung eine Spannung von 100 kV aufgedrückt und Strombegrenzungswiderstände in der Grössenordnung von etwa 1000 Megohm zugeordnet sind, so überschreitet die Energie einer plötzlichen Entladung zu einer polierten Metallkugel mit einem Radius von etwa 1 cm nicht jene, die bei einer entsprechenden Entladung im System auftreten würde, wenn an Stelle der Elektrode eine polierte Metallkugel mit einem Radius von etwa 3 cm vorliegt.
Bisher war es üblich, den Hochspannungsgenerator mit einer wirksamen Impedanz von etwa 10 Meg- ohm zu versehen, die in den Hochspannungsgenerator selbst eingebaut ist. Diese Impedanz kann, sofern der mit der Spritzflüssigkeit zu überziehende Gegenstand oder ein anderes Objekt in unmittelbare Nähe der Elektrode gelangt, einen Stromfluss, der zu einer gefährlichen und unangenehmen plötzlichen Entladung führt, nicht wirksam verhindern. Darüber hinaus sind die Kapazität und die Leitfähigkeit der bisher verwendeten Elektroden so gross, dass gefährliche und unangenehme plötzliche Entladungen auftreten, wenn die Elektrode dem mit der Flüssigkeit zu überziehenden Gegenstand oder der Bedienungsperson zu nahe kommt.
Während auf verschiedenen Gebieten, in denen mit hohen Spannungen gearbeitet wird, Vorschläge für die Installierung von Widerständen, welche, wie die oben beschriebene in die Hochspannungsquelle eingebaute Impedanz, tödliche elektrische Schläge oder die Bildung von Lichtbögen vermeiden sollen, gemacht wurden, beschäftigt sich doch keiner dieser Vorschläge mit einem Verfahren für die automatische Erhaltung des Durchschnitts-Gradienten des elektrischen Feldes innerhalb vorbestimmter Grenzen zwischen der Elektrode und dem mit der Flüssigkeit zu überziehenden Gegenstand für den Fall erheblicher Veränderungen des Abstandes zwischen diesem Gegenstand und den Elektroden.
Nach der Erfindung können Zerstäubungsgeräte gebaut werden, welche die Aufrechterhaltung des Durchschnitts-Gradienten des elektrischen Feldes zwischen der Elektrode und dem mit der Flüssigkeit zu überziehenden Gegenstand innerhalb vorbestimmter Grenzen unabhängig von Veränderungen des Abstandes zwischen diesen ermöglichen und die gefährliche und unangenehme Funkenentladung auch dann ausschliessen, wenn die Elektrode mit hohem Potential in Berührung mit dem bedienenden Personal oder dem mit der Flüssigkeit zu überziehenden Gegenstand kommt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine Spritzanlage in der Seitenansicht und Fig. 2 eine Stirnansicht der Elektrodenanordnung.
In einer senkrechten Ebene sind vier Elektrodendrähte 71a-d in horizontaler Lage so angebracht, dass ihre Enden jeweils etwa 30 cm voneinander entfernt liegen und etwa die Ecken eines Quadrates bilden. Diese Feldelektroden werden über Strombegrenzungswiderstände 72a-d mit Hochspannung versorgt. Auf einem Ständer 76 ist eine Spritzpistole 75 üblicher Bauart befestigt. Ständer und Pistole sind geerdet. Die Pistole kann auch in der Hand gehalten werden. Die Farbzufuhr zur Pistole erfolgt aus dem Behälter 77
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mittels eines Schlauches 78, die Druckluftzufuhr mittels eines Schlauches 79. Die Achse der Spritzpistole liegt im Mittelpunkt des durch die Enden der vier Elektrodendrähte 71 dargestellten Quadrates, sie liegt jedoch nicht auf derselben Ebene wie diese, sondern z. B. etwa 15 cm von dieser Ebene entfernt.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Ebene, auf der die vier Elektrodendrähte liegen, befindet sich der mit der i Farbflüssigkeit zu überziehende Gegenstand 80, der hier als ein Brotkasten dargestellt ist, welcher auf ei- ner diesen drehenden Fliessbandvorrichtung 81 liegt, die ein Rad 82 enthalt, das auf einer Schiene 83 läuft.
Die Drehung der Gegenstände 80 während des Spritzvorganges führt dazu, dass ihre Ecken sehr viel nä- her an die Elektroden 71 herangeführt werden als die Mittelpunkte ihrer Seitenflächen. Eine etwas verbo- gene oder nicht ganz feste Aufhängevorrichtung sowie eine nicht ganz ordnungsgemässe Aufhängung eines mit der Farbflüssigkeit zu überziehenden Gegenstandes kann naturgemäss zu noch grösseren Schwankungen der Entfernung zwischen den Elektroden 71 und diesen Gegenständen führen. Um auch diesen Möglichkei- ten im Hinblick auf die Betriebssicherheit Rechnung zu tragen, war es bisher üblich, zwischen der Elektro- de und dem mit der Farbflüssigkeit zu überziehenden Gegenstand einen weit grösseren Abstand zu halten, . als dies bezüglich der Wirksamkeit der elektrostatischen Farbablagerung auf diesem Gegenstand wünschen- wert ist.
Der Abstand zwischen der bzw. den Elektroden und den mit der Farbflüssigkeit zu überziehenden
Gegenständenist so bemessen, dass er bei allen Schwankungen seiner Grösse, mit denen gerechnet werden musste, immer grösser als die Entfernung ist, bei der Funkenbildung auftreten kann. Während bei elektro- statischen Überzugsverfahren mit einem Luftzwischenraum von 15 bis 30 cm Durchschnitts-Gradienten des
Feldes von 2000 V je cm Abstand üblich sind, führen Durchschnitts-Gradienten des Feldes von erheblich mehr als 4000 V je cm zur höchsten Wirksamkeit der Ablagerung der Farbflüssigkeit auf dem mit dieser zu überziehenden Gegenstand.
Um so eine wirksame Ablagerung der Farbflüssigkeit zu erreichen, werden gemäss der Erfindung die
Strombegrenzungswiderstände 72 so bemessen, dass sie einige bis 100 Megohm je Kilovolt Hochspannung betragen.
In der dargestellten Anlage können die Seitenwände des Brotkastens von einer nicht verbogenen Auf- hängevorrichtung direkt vor die Spritzpistole in einem Abstand von 15 cm von den Elektrodendrähten 71 geführt werden, obwohl ein Hochspannungsaggregat von 100 kV verwendet wird. Mit einem Strombegren- zungswiderstand 72, an dem etwa 10% dieser Spannung abfallen, liegt eine Spannung von 90000 V an den Elek- trodendrähten 71 und der Durchschnitts-Gradient des elektrischen Feldes betragt daher 6000 V je cm. Selbst wenn die Aufhängevorrichtung verbogen ist oder wenn der Brotkasten an dieser nicht ordnungsgemäss ange- bracht ist, oder-wenn er hin-und herschwingt, was zu einer Vergrösserung des Abstandes des Brotkastens von den Elektrodendrähten führen könnte, bleibt der Durchschnitts-Gradient des Feldes doch über 4000 V je cm.
Wenn sich der Brotkasten vor der Spritzpistole 75 dreht und nun eine Ecke direkt vor diese gelangt oder irgendeine andere Ursache den Brotkasten näher an die Elektrodendrähte heranführt, so wird trotz der hiemit verbundenen Verringerung des Luftzwischenraums zwischen den Elektrodendrähten und dem diesen am nächsten gelangenden Teil des Gegenstandes (etwa bis zu 7, 5 cm) das elektrostatische Feld ohne Fun- kenbildung aufrechterhalten. Der Widerstand 72 verursacht einen genügenden Spannungsabfall, so dass bis zu einem sehr geringen Abstand zwischen den Elektroden und dem Gegenstand, wie 2, 5-1, 5 cm, eine plötzliche Entladung verhindert und eine wegen allzugrosser Annäherung dennoch entstehende Entladung gefahrlos wird.
Es wurde festgestellt, dass es wünschenswert ist, mit Elektroden von grosser Länge zu arbeiten ; so ist eine zufriedenstellende Vorrichtung mit Elektrodendrähten hergestellt worden, die eine Lange von je 15 cm besassen. Die hohe lonisierungswirkung eines dünnen Drahtes von etwa 0, 25 mm Stärke stösst nicht nur die
Farbflüssigkeit ab und lädt deren Teilchen auf, sondern führt auch zu Bedingungen, welche die zerstäub- ten Flüssigkeitsteilchen daran hindern, sich auf den benachbarten Hüllen der Strombegrenzungswiderstän- de niederzuschlagen.
Darüber hinaus ergibt die"spitze"Form eines solchen dünnen Drahtes entsprechend höhere Stromstärken im Luftzwischenraum als eine polierte Kugel oder eine andere "stumpfe" Elektrode. Der dünne Draht hat ausserdem eine wünschenswerte Wirkung in Verbindung mit der Steuerwirkung des Wi- derstandes und ergibt eine Verminderung der wirksamen Kapazität der Elektrode. Die Kapazität muss je- doch auch hier noch beachtet werden, u. zw. muss die Grösse der Metallelektrode so gering gehalten wer- den, dass eine von ihr ausgehende Entladung diejenige von einer Metallkugel von 1 bis 3 cm Radius aus- gehende nicht übersteigt.
In einer Anlage, in der mehrere Elektrodendrähte verwendet werden, welche über getrennte Strombegrenzungswiderstände an den Hochspannungsgenerator angeschlossen sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese Elektrodendrähte in einer Entfernung von wenigstens 10 cm voneinander anzubringen. Wenn
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nämlich die Elektroden zu nahe beisammenliegen. können mehrere von ihnen zugleich von einem Gegenstand oder von einem Menschen berührt werden. Dies würde zu einer Entladung unerwünschter Intensität führen, da die Kapazitäten und auch die Widerstände in einem solchen Falle parallel liegen würden.
Eine Anlage, in welcher diesen Et wägungen Rechnung getragen wird, verbindet genügende Sicherheitseigenschafi tenmit hohen durchschnittlichen Feld-Intensitäten, trotz erheblicher Schwankung der Grösse des Luftzwischenraumes zwischen Elektroden und Gegenständen und führt daher zu verbesserter Spritzwirksamkeit. Eine Anlage, welche entsprechend den Darstellungen der Zeichnungen errichtet wurde, dient zum Spritzen von metallischen Besenstielen mit einem Durchmesser von 2, 5 cm. Die Besenstiele wurden nebeneinander und mit einem gegenseitigen Abstand von jeweils 7, 5 cm angeordnet. Die wirksame Flüssigkeitsablagerung warum zehn Prozent höher als in einer Anlage, welche dieselben Elektroden und Spritzvorrichtungen verwendete, aber keine Strombegrenzungswiderstände enthielt.
Dabei betrug bei der bekannten Anlage die Entfernung zwischen den Besenstielen und den Elektroden 30 cm statt 15 cm, dies im Hinblick auf die Notwendigkeit, dass dieser Abstand das Doppelte der Entfernung betragen musste, bei der möglicherweise Lichtbögen auftreten können.
In einer Anlage, welche vom Zerstäubungsgerät getrennte Elektroden verwendet, sind z. B. für Entfernungen von 15 bis 30 cm Durchschnitts-Gradienten des elektrischen Feldes von mehr als 4000 V je cm, vorzugsweise sogar von 6000 V je cm oder mehr geeignet für maximale Flüssigkeitsablagerung. Ohne die Verwendung eines Strombegrenzungswiderstandes würde der geringstmögliche Abstand beim parktischen Gebrauch eines 100 kV-Hochspannungsgenerators im Normalfall 30 cm betragen, wobei der DurchschnittsGradient höchstens 4000 V je cm betragen und bei Vergrösserungen des Luftzwischenraumes durch Drehen oder Schwingen des mit der Farbflüssigkeit zu überziehenden Gegenstandes stark abfallen würde.
Es wurde festgestellt, dass grössere Flüssigkeitsablagerungen bei Gegenständen, die Hohlräume aufweisen, auf der mit der Flüssigkeit zu überziehenden Metalloberfläche nicht nur durch die Verwendung von Strombegrenzungswiderständen erzielt werden können, sondern auch durch die Verwendung einer wesentlich höheren Spannung des Hochspannungsgenerators, als dies sonst gebräuchlich ist. So wurden gute Erfolge bei der Verwendung eines Hochspannungsgenerators von 160 kV mit den entsprechenden Strombegrenzungswiderständen erzielt. Wenn z. B. Widerstände von jeweils 5000 Megohm mit einem 160 kV-Hochspannungsgenerator verwendet werden, können die jeweiligen Entfernungen der Elektroden voneinander so bestimmt werden, dass der Durchschnitts-Gradient bei einer geringsten Entfernung von 10 cm etwa 7000 V je cm betragen würde.
Trotzdem würde der Gradient bei einer Entfernung von 30 cm immer noch 4000 V je cm betragen. Dies bedeutet, dass sich bei einer Veränderung des Luftzwischenraumes im Verhältnis 1 zu 3 der Durchschnitts-Gradientnurin einem Verhältnis von weniger als 1 zu 2 verändert. Dies macht es möglich, dass der Durchschnitts-Gradient normalerweise 6000 V je cm beträgt, während er bei einem Luftzwischenraum von 30. cm immer noch 4000 V je cm beträgt.
Die Zerstäubervorrichtung kann auch aus einem Material von hohem elektrischem Widerstand bzw. aus Isoliermaterial bestehen. In diesem Falle kann sie näher an die Elektroden herangerückt werden, als wenn sie aus leitendem Material besteht.
Im allgemeinen ist es vorteilhaft, sowohl einen genügend grossen Strombegrenzungswiderstand als'auch eine kleine effektiveeElektrodenkapazität zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Elektrostatische Farbspritzanlage mit einer Spritzpistole, einer Werkstückführung und mit einer oder mehreren an eine Hochspannungsquelle angeschlossenen Stiftelektroden, wobei Strombegrenzungswiderstände vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stiftelektroden (71a bis 71d) getrennt von der geerdeten Spritzpistole (75) angeordnet sind, und dass unmittelbar an sie je ein Strombegrenzungswiderstand (72a bis 72d) angeschlossen ist, dessen Widerstand einige bis 100 Megohm je Kilovolt der an die Elektroden angelegten Hochspannung beträgt, wobei die Kapazität jeder Elektrode und des zwischen ihr und dem Widerstand liegenden Leitungsmaterials kleiner als diejenige einer Metallkugel von 3 cm Radius ist.