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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf luftlose Spritzpistolen und
insbesondere auf einen Mechanismus zur Gewährleistung einer hohen Durchflußrate
des Farbsprühstrahls in einer Farbspritzpistole.
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Bei einer typischen luftlosen Farbspritzanlage saugt eine von einem Kolben
angetriebene Membran die Farbe aus einer Zuführungsleitung hinter ein
Rückschlagventil und in eine Farbhalte- oder Membrankammer. Bei der
Rückwärtsbewegung des Kolbens wird die Farbe in der Membrankammer unter Druck gesetzt.
Eine Spritzpistole verfügt über einen Auslöser, der beim Herunterdrücken ein Ventil
öffnet, so daß die in der Kammer unter Druck stehende Farbe durch ein
Auslaßrückschlagventil und durch eine Pistolendüse fließen kann und beim Verlassen einer
Öffnung zerstäubt wird, wodurch sie auf eine zu beschichtende Oberfläche
aufgesprüht werden kann.
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Luftlose Farbspritzanlagen verfügen üblicherweise über ein Ansaugrohr, das
in einen Farbkanister eingeführt wird und über das die Farbe in die Membrankammer
transportiert wird. Der Unterdruck im Ansaugrohr entsteht durch eine
verformungsweiche Membran, die entlang ihres Umfangs befestigt ist. Ein Zentralabschnitt der
Membran wird - beispielsweise durch ein kolbengetriebenes Hydrauliksystem -
zwischen einer konvexen und einer konkaven Konfiguration in Schwingungen
versetzt, wodurch die Farbe zur Membran gesaugt und anschließend aus der
Spritzpistole gepreßt wird.
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In einem anderen Format wird die Bewegung eines rotierenden
Exzenternockens auf ein Gelenk und anschließend auf einen Kolben übertragen. Der Kolben
ist mit der Membran verbunden, und die Rotation des Exzenternockens treibt den
Kolben so an, daß er die Membran zwischen der konvexen und der konkaven
Konfiguration hin- und herbewegt. Die Farbe wird durch das Ansaugrohr und das
Einlaßventil aus dem Farbkanister in Richtung Membran und in die Membrankammer
angesaugt und durch das Auslaßrückschlagventil in die Spritzpistole
weitertransportiert.
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Trotz aller in der Vergangenheit gemachten Anstrengungen führte die
Anwendung derartiger Systeme, mit denen beispielsweise Farbe versprüht wird, zu
ungleichmäßigen Ergebnissen und unerklärlichen und unerwünschten
Abweichungen. So kann es vorkommen, daß ein System mit einer Sorte Farbe nicht
funktioniert und nicht in der Lage ist, sie vollständig zu zerstäuben, wodurch
"Kleckse" auf der Oberfläche entstehen, doch das System arbeitet mit derselben
Farbe zu einem anderen Zeitpunkt oder an anderer Stelle einwandfrei. Eine Lösung
dieser Probleme wurde bereits in der PCT-Veröffentlichung Nr. 96/21519 (eingereicht
am 13. Dezember 1995 und veröffentlicht am 18. Juli 1996) vorgestellt. Bei dieser
Anwendung werden bestimmte Probleme im Zusammenhang mit einer mangelhaften
Leistung von Farbsprühsystemen gelöst.
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Zu den weiteren Problemen, die bei luftlosen Spritzanlagen üblicherweise
auftreten, gehört das ungleichmäßige Versprühen, wobei zum Beispiel mit einer Art
Farbe keine zufriedenstellenden Spritzergebnisse erzielt werden können, während
mit einer anderen Art Farbe zufriedenstellende Spritzergebnisse erreicht werden. Als
Ursachen für derartige Probleme wurden bereits verschiedene Sachverhalte
vermutet, zum Beispiel ungleichmäßiges Anlassen, Farbstau, verstopfte Filter,
Schwankungen der Durchflußrate infolge von Abweichungen der Farbviskosität,
Schwankungen der Luftfeuchtigkeit usw. Insbesondere sinkt die Durchflußrate der
Farbe durch die Spritzanlage bei Versprühen von Farben mit höherer Viskosität,
selbst wenn die Filter sauber sind und die Farbflußstrecke unverstopft ist. Die
Farbviskositäten liegen üblicherweise zwischen etwa 3,5 · 10&supmin;&sup5; m²/s (3,8 · 10&supmin;&sup4; ft²/s)
und etwa 1,4 · 10&supmin;³ m²/s (1,5 · 10&supmin;² ft²/s). Die Viskosität von Wasser ist mit etwa 9,94
· 10&supmin;&sup7; m²/s (1,07 · 10&supmin;&sup5; ft²/s) sogar noch geringer. Durch die Erfindung gemäß PCT-
Veröffentlichung Nr. 96/21519 verbessert sich zwar die Leistung von luftlosen
Spritzanlagen, die Schwankungen der Durchflußrate bei Farben und Flüssigkeiten mit
höherer Viskosität im Vergleich zu Farben und Flüssigkeiten mit geringerer Viskosität
verhindern jedoch eine gleichmäßige Leistung. So können die Durchflußraten von
Farben mit höherer Viskosität um etwa 25% niedriger sein als die Durchflußraten von
Farben und Flüssigkeiten mit geringerer Viskosität.
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Demnach ist ein effektives und gleichmäßiges Arbeiten mit luftlosen
Farbspritzanlagen scheinbar nur manchmal möglich und hängt von den Durchflußraten
ab, die sich aus der Viskosität der jeweiligen in der Anlage verwendeten Farbe
ergeben.
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US-A-4834286, welches den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Stand
der Technik darstellt, beschreibt eine Spritzpistole für Flüssigkeiten und
insbesondere für Farben. Bei diesem System wird die Flüssigkeit durch eine
Kolbenpumpe über ein unter Federspannung stehendes Auslaßventil zu einer Sprühdüse
gepumpt. Dabei ist das Ventil durch eine einzelne Feder in Richtung seiner
geschlossenen Position vorgespannt.
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Es wird deutlich, daß es einen Bedarf für luftlose Farbspritzanlagen gibt, bei
denen keine signifikante Schwankungen der Durchflußrate oder Druckverluste beim
Sprühvorgang infolge von Schwankungen der Viskosität der zu verspritzenden
Flüssigkeit auftreten, und mit denen ein zuverlässiges, einwandfreies und effektives
Versprühen aller Arten von Farbe mit einer großen Schwankungsbreite der
Farbparameter (z. B. Viskosität) möglich ist, ohne daß es dabei zu den oben
beschriebenen Problemen und Unregelmäßigkeiten kommt.
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Während die Arbeit mit Farben und Flüssigkeiten geringer Viskosität relativ
problemlos ist und diese Farben und Flüssigkeiten sich gleichmäßig bei den
gewünschten Durchflußraten pumpen lassen, führt die Verwendung desselben
Ventil- und Pumpsystems bei Flüssigkeiten mit höherer Viskosität zu Problemen, weil
diese Flüssigkeiten dickflüssiger sind. Die Pump- und Ventiltechnik, die bei
Flüssigkeiten mit geringerer Viskosität gut funktioniert, funktioniert nicht gut bei Flüssigkeiten
mit höherer Viskosität aus den zu erwartenden Viskositätsbereichen aller zum
Spritzen vorgesehenen Farben.
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Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte luftlose
Spritzanlage bereitzustellen, die in der Lage ist, gleichmäßige Sprühergebnisse für
alle zu erwartenden Farbviskositäten zu erbringen. Darüber hinaus ist es ein Ziel der
vorliegenden Erfindung, eine verbesserte luftlose Farbspritzanlage bereitzustellen,
die eine gleichmäßig hohe Durchflußrate aufweist, und bei der es beim Spritzen nicht
zu einem Druckabfall kommt. Mit der vorliegenden Erfindung soll auch eine
Farbspritzanlage bereitgestellt werden, die einwandfrei und effektiv mit einer Vielzahl
verschiedener Farbtypen arbeiten kann, ohne daß es ungeachtet von normalerweise
zu erwartenden Schwankungen in der Viskosität der Farbe beim Spritzen zu einem
Absinken der Durchflußrate oder des Drucks kommt.
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Darüber hinaus will die vorliegende Erfindung eine Farbspritzanlage
bereitstellen, die mit einer Vielzahl von Farben und Flüssigkeitsviskositäten verwendet
werden kann, um die ein gleichmäßiges Versprühen und Spritzen der Farbe in einem
gewünschten homogenen Muster ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine luftlose Spritzanlage mit einer
Pumpkammer, einem Auslaßrückschlagventil und einem Spritzfluidpfad, der
zwischen dem Ventil und einem Auslaß der Pumpkammer definiert ist. Entsprechend
der vorliegenden Erfindung umfaßt das Ventil ferner eine erste Feder, die so
gestaltet ist, daß sie in das Ventil eingreift, wenn es sich in seiner offenen Position
befindet, um das Ventil in Richtung auf seine geschlossene Position vorzuspannen,
und die das Ventil nicht vorspannt, wenn es sich in seiner geschlossenen Position
befindet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht die
Verwendung eines verbesserten Auslaßrückschlagventils an der Auslaßseite der
Pumpe der Farbspritzanlage vor, welches für gleichmäßige Auslaßdurchflußraten bei
einer breiten Spanne von Flüssigkeitsviskositäten sorgt. In einer weiter bevorzugten
Ausführungsform wird ein Auslaßrückschlagventil mit zwei Federn an der Stelle
verwendet, wo die Farbe die Membran verläßt. Das Auslaßrückschlagventil wird für
dickflüssige Flüssigkeiten schnell geöffnet und geschlossen, die ansonsten eine
schnelle Betätigung des Ventils verhindern würden.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, daß das
Reaktionsverhalten des Auslaßrückschlagventils verantwortlich ist für die ungleichmäßige
Farbspritzleistung und die reduzierte Durchflußgeschwindigkeit bei Flüssigkeiten mit
höherer Viskosität. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist dieses Problem, in
der Unfähigkeit des Systems begründet, ein adäquates Reagieren zum Starten und
Stoppen des Farbflusses von der Pumpe zur Düse der Spritzpistole der Spritzanlage
für eine große Spannweite von Farbviskositäten zu gewährleisten.
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Üblicherweise wird die Farbe aus einem Farbbehälter über ein Ansaugrohr in
die Pumpkammer angesaugt. Die Pumpkammer enthält eine Membran, die für einen
Unterdruck in der Kammer sorgt, wodurch die Farbe angezogen wird. Dieser
Unterdruck wird entweder durch einen Exzenterantrieb oder durch den kolbengetriebenen
Hydraulikantrieb erzeugt. Sobald die Farbe in die Kammer eingezogen wurde, wird
sie durch das Auslaßrückschlagventil gepumpt, wenn das Auslaßrückschlagventil in
seine geöffnete Position gebracht wird. Die Farbe fließt durch das geöffnete Ventil
zur Düse, wo sie zerstäubt wird. Die Membran wird zyklisch betrieben; sie wird
während jedes Ansaug- und Druckzyklus konstant beschleunigt und abgebremst.
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So wird die Membran beispielsweise zunächst so bewegt, daß sich die
Kammer vergrößert, wodurch Farbe durch das Zuführungsrohr in die Kammer
angesaugt wird. Anschließend wird die Membran in die Kammer hinein beschleunigt,
um das Auslaßrückschlagventil zu öffnen und die darin befindlich Farbe durch das
geöffnete Auslaßrückschlagventil hinauszupumpen. Sobald dieser Takt beendet ist,
wird die Membran in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt, wodurch sich das
Auslaßventil schließt und das Einlaßrückschlagventil geöffnet wird, so daß Farbe aus
dem Zuführungsrohr angesaugt wird. Das ist unter dem zyklischen Betrieb der
Membran zu verstehen. Der Farbfluß durch das System ist am größten, wenn die in
die Kammer eingesaugte Farbe vollständig und effizient aus der Kammer heraus und
durch das Auslaßrückschlagventil gepumpt wird, so daß die Membran beim
nachfolgenden Zyklus mehr Farbe von der Einlaßseite der Pumpe ansaugen kann,
wodurch die Pumparbeit an der Farbe entfällt, die sich noch vom vorigen Zyklus in
der Kammer befindet und noch nicht das Auslaßrückschlagventil passiert hat.
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Vor dieser Erfindung passierte auf Grund der schlechten Leistung des
Auslaßrückschlagventils nur etwa 75% der maximal möglichen Farbmenge die Spritzanlage.
So arbeitete beispielsweise eine Farbspritzpumpe, deren möglicher Spitzendurchfluß
bei etwa 4,5 l/m (1,2 Gallonen pro Minute) liegt, bei dickflüssigeren Farben nur mit
einer Durchflußrate von etwa 3,4 l/m (0,9 Gallonen pro Minute). Es wurde erkannt,
daß durch eine verbesserte Reaktionszeit des Auslaßrückschlagventils ein effizienter
Farbfluß vom Ansaugrohr durch die Membrankammer und bis zur Düse möglich wird,
so daß der volumetrische Durchfluß von stark dickflüssigen Flüssigkeiten gesteigert
werden kann.
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Zuvor fiel bei Pumpen mit Auslaßrückschlagventilen, die für den Durchfluß von
leicht dickflüssigen Flüssigkeiten optimiert waren, die Reaktionszeit des
Auslaßrückschlagventils bei stark dickflüssigen Farben unter einen minimal akzeptablen
Wert ab. Als Reaktionszeit des Ventils wird die Zeit bezeichnet, die das Ventil
benötigt, um aus der geöffneten Konfiguration in die geschlossene Konfiguration
zurückzukehren und umgekehrt. Die Reaktionszeit des Ventils verschlechtert sich bei
stärker dickflüssigen Farben einfach aus dem Grund, weil es sich in einem
dickflüssigeren Medium nicht so schnell bewegen und schließen kann. Als eine
Möglichkeit, die Reaktionszeit des Ventils zu verbessern, wurde eine Erhöhung der
Federvorspannung bzw. der Federkonstante vorgeschlagen. Allerdings wirkt sich eine
Erhöhung der Federvorspannung bzw. der Federkonstante negativ auf den
Unterdruck- und Anlaßbetrieb der Pumpe aus, wodurch sich wiederum die Leistung des
Systems verschlechtert.
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In einer Ausführungsform der luftlosen Farbspritzanlage wird die Membran
durch einen exzentrisch rotierenden Nocken angetrieben. Die Bewegung und
Beschleunigung der Membran ist dabei zyklisch und richtet sich nach dem
Exzenternocken. Zu Beginn des Pumpbetriebs ist die Beschleunigung der Membran nur
niedrig, wenn anfänglich Farbe durch die Membran in die Pumpkammer gesaugt
wird. Die Federvorspannung des Auslaßrückschlagventils sollte nicht zu hoch sein,
damit das Öffnen des Auslaßrückschlagventils in diesem Abschnitt des Zyklus nicht
behindert wird. Die Beschleunigung der Membran steigt während des Farbeinlaß-
oder Ansaugabschnitts des Zyklus. Sobald das Ansaugen abgeschlossen ist, wird
die Membran langsam in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt, um die Farbe
aus der Kammer herauszupumpen. Die Beschleunigung der Membran steigt
während des Pumpabschnitts des Zyklus solange an, bis die Farbe aus der Kammer
herausgepumpt ist. Das Auslaßrückschlagventil muß sich schnell schließen, um zu
verhindern, daß die bereits durch das Auslaßventil gepumpte Farbe in die Kammer
zurückgezogen wird. Die Reaktionszeit von bekannten Auslaßrückschlagventilen
wird bei stark dickflüssigen Flüssigkeiten verzögert. Daher wird eine höhere
Federvorspannung für das Schließen des Ventils bevorzugt. Der Zyklus beginnt dann von
neuem, indem wieder Farbe in die Kammer gesaugt wird.
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Eine Feder mit einer ausreichend hohen Federkonstante, um wie gefordert die
Widerstandskräfte bei Farben mit höherer Viskosität zu überwinden und eine
ausreichend schnelle Rückkehr des Ventils in die geschlossene Position zu ermöglichen,
behindert allerdings das anfängliche Öffnen des Ventils zu Beginn des Pumpzyklus.
Deshalb darf nicht einfach nur die Federvorspannung des Ventils in der
geschlossenen Position verstärkt werden, wenn negative Auswirkungen auf die Leistung des
Systems verhindert werden sollen.
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Das Auslaßrückschlagventil kann zwei Federn enthalten, die in Kombination
für eine ausreichende Reaktionszeit des Ventils sorgen, so daß die Systemleistung
für Farbe mit einer Vielfalt von Viskositäten gewährleistet ist, ohne daß es dabei zu
einer überhöhten Abnutzung der Bauteile oder zur Beschädigung des Systems beim
Anlassen kommt. Die Federeinheit des Auslaßrückschlagventils einer gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform enthält eine erste Feder mit einer hohen
Federkonstante von etwa 6100 N/m (35 Pound-Force pro Inch) und eine zweite Feder mit
einer viel geringeren Federkonstante von etwa 180 N/m (1 Pound-Force pro Inch).
Die zweite Feder greift ständig in das Auslaßrückschlagventil ein und gewährleistet
die Anlaßleistung des Systems, da sie eine geringe Federkonstante aufweist. Die
erste Feder greift nicht ein, wenn das Ventil geschlossen ist. Wenn das Ventil
geöffnet wird, greift die erste Feder ein und bietet eine ausreichend hohe
Federkonstante, um eine schnelle Reaktionszeit für das Ventil zu gewährleisten. Im
Ergebnis dessen wirkt sich das Auslaßrückschlagventil mit zwei Federn nicht negativ
auf den Anlaßvorgang des Systems aus, sorgt jedoch für eine solche Reaktionszeit
beim Schließen des Ventils bei Flüssigkeiten mit höherer Viskosität, daß die
Membrankammer geleert und ein erneutes Pumpen einer Teilmenge der Farbe
verhindert wird, wodurch sich der Flüssigkeitsdurchfluß der Spritzanlage erhöht.
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Die erste Feder ermöglicht auf Grund ihrer hohen Federkonstante eine
verbesserte Reaktionszeit des Ventils. Die zweite Feder hält eine niedrige
Vorspannung während des Anlaßvorgangs und während des anfänglichen Abschnitts
jedes Pumpzyklus aufrecht, wodurch sich das Auslaßventil anfänglich an einem
gewünschten Punkt öffnen kann. Die erste Feder hält zwar keinerlei Vorspannung
während des Anlaßvorgangs oder dem anfänglichen Pumpzyklus, übernimmt aber
während des normalen Betriebs, das heißt wenn die Membran für das Pumpen
beschleunigt wird, den Großteil der auf das Ventil wirkenden Last - wenn nicht sogar
die gesamte auf das Ventil wirkende Last. Durch die Konfiguration des
Auslaßrückschlagventil mit zwei Federn wird ein erneutes Pumpen der in der Kammer
befindlichen Farbe vermieden, und die bei einer luftlosen Spritzanlage damit
verbundenen Probleme werden überwunden, indem ein größerer
Flüssigkeitsdurchfluß durch das Auslaßrückschlagventil ermöglicht wird. Die Verwendung von
zwei Federn ermöglicht diesen größeren Durchfluß, ohne daß es dabei zu einer
nachteiligen Senkung bei der Anlaßleistung des Systems kommt.
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Es erfolgt nun eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand eines
Beispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, welche folgende
Bedeutung haben:
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer luftlosen Farbspritzanlage
entsprechend einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 ist eine teilweise Querschnittdarstellung entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1
und zeigt ein Auslaßrückschlagventil entsprechend einer gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3A ist eine vergrößerte Querschnittdarstellung des Bereichs 3A aus Fig. 2
und zeigt das Auslaßrückschlagventil in seiner geschlossenen Konfiguration; und
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Fig. 3B ist eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 3A, zeigt aber das
Auslaßrückschlagventil in seiner geöffneten Konfiguration.
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Eine wie in Fig. 1 dargestellte luftlose Farbspritzanlage 10 besteht aus einem
mobilen Handkarren 12, der auf Rädern 14 befestigt ist, welche auf einer Achse 16
drehbar gelagert sind. Der Handkarren 12 weist einen Rahmen 18 auf, der eine
Pumpe 20 und einen Motor 22 trägt, durch die Farbe aus einem Kanister 24 oder
einem anderen Behälter gesaugt wird. Der Farbkanister 24 bzw. der Farbbehälter ist
auf einer im wesentlichen L-förmigen Auflagefläche 26 befestigt, der an einem
unteren Abschnitt des Rahmens 18 montiert ist. Die Farbspritzanlage 10 kann
transportiert werden, indem ein oberer, im wesentlichen U-förmiger Handgriff 28 ergriffen
und das gesamte Gerät nach hinten geneigt wird, wodurch die Auflagefläche 26
angehoben wird, so daß der darauf befindliche Farbkanister 24 ebenfalls angehoben
wird und die Spritzanlage 10 auf den Rädern 14 balanciert werden kann. Es können
aber auch andere Strukturen zur Befestigung der Pumpe 20 und des Motors 22
sowie zu ihrer Befestigung gemeinsam mit einem Farb- oder
Spritzflüssigkeitsbehälter verwendet werden.
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Beim Betrieb wird die Farbe aus dem Kanister 24 durch einen im wesentlichen
tellerförmigen Ansaugstutzen 30 eingesaugt, der mehrere Ausschnitte 32 aufweist,
durch welche die Farbe in den Ansaugstutzen 30 eindringt, der auf dem Boden des
Kanisters 24 aufsitzt. Die Farbe wird aus dem Kanister 24 über den Ansaugstutzen
30 in ein Ansaugrohr 34 gesaugt. Die Farbe fließt durch das Ansaugrohr 34 und in
die Pumpe 20, von der sie unter Druck gesetzt und in eine Zuführungsleitung 36 und
eine Spritzpistole 38 gepumpt wird. Durch diese Spritzpistole 38 wird die unter Druck
stehende Farbe versprüht und verläßt die Spritzpistole 38 in Richtung der zu
beschichtenden Oberfläche. Der Weg der Farbe vom Kanister 24 über die Pumpe 20
bis zur Spritzpistole 38 wird in allen Zeichnungen und in der weiteren Beschreibung
als Farbflußstrecke P bezeichnet.
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Am oberen Ende des Ansaugrohrs 34 befindet sich ein im wesentlichen T-
förmiges Anschlußstück 40. Das T-förmige Anschlußstück 40 wird bereits in der
PCT-Veröffentlichung Nr. 96/21519 beschrieben.
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Das Anschlußstück 40 ist über eine Kupplung 44 oder einen anderen
geeigneten und in der Technik bekannten Mechanismus mit einer Einlaßventileinheit
42 verbunden (Fig. 2). Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der
Einlaßventileinheit 42 wird in der PCT-Veröffentlichung Nr. 96/21519 vorgestellt. Das
Einlaßventil 42 ist an einem Pumpengehäuse 46 der Pumpe 20 befestigt. Das
Gehäuse 46 ist entsprechend der Darstellung in Fig. 2 durch Bolzenschrauben 48
oder andere mechanische Befestigungsmittel mit der Pumpe 20 verbunden. Das
Ventil 42 sitzt in einem Endabschnitt der im Gehäuse 46 befestigten Kupplung 44
und weist einen langgestreckten Ventilschaft 52 auf, der axial im Inneren des
Einlaßrückschlagventils 42 verläuft und an einem Ende, das gegenüber dem anderen Ende
56 liegt, einen scheibenförmigen Ventilteller 54 aufweist. Das Einlaßrückschlagventil
42 wechselt zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position, um den
Fluß der Farbe in den Schlauch 36 und die Spritzpistole 38 zu ermöglichen, wenn
der Auslöser 58 oder ein anderer geeigneter Mechanismus betätigt wird, der dem
Fachmann auf diesem Gebiet vertraut ist.
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Das Einlaßventil 42 befindet sich unmittelbar neben einer Membrankammer
bzw. Pumpkammer 60 und weist einen Abstand zu einer verformungsweichen
Membran 62 auf. Die Membran 62 ist entlang ihres Umfangs befestigt, so daß ein
zentraler Abschnitt der Membran 62 zwischen einer konvexen und einer konkaven
Konfiguration hin- und herbewegt werden kann. Wenn sie entsprechend der
Ausrichtung von Fig. 2 nach links gezogen wird, saugt sie die Farbe durch die
Kupplung 44 und das geöffnete Einlaßrückschlagventil 42 in Richtung der Membran
62 an. Wenn sie nach rechts verschoben wird, übt sie einen Druck auf die Kammer
60 aus und pumpt die Farbe durch einen Auslaß 64 mit einem
Auslaßrückschlagventil 42 zur Spritzleitung 36 und zur Spritzpistole 38. Die verformungsweiche
Membran 62 weist einen Schaft 68 auf, der an einem zentralen Abschnitt 70 befestigt
ist. Der Schaft 68 wird indirekt durch einen Kolben und einen Exzenternocken (nicht
dargestellt) angetrieben, die in luftlosen Farbspritzanlagen des oben beschriebenen
Typs gut bekannt sind. Das Auslaßventil 66 besteht aus einem Ventilgehäuse 67,
das über ein Schraubgewinde mit ineinandergreifender Verzahnung 69 mit der
Pumpe 20 verbunden ist. Das Ventilgehäuse 67 hat einen O-Ring 71 und einen
Stützring 73, die eine Dichtungsverbindung zwischen dem Gehäuse 67 und der
Pumpe 20 bilden, so daß die Farbe auf der Strecke P durch die Auslaßanschlüsse
75 des Gehäuses 76 zu einem ringförmigen Auslaß 75a im Gehäuse 46 und von dort
aus zur Zuführungsleitung 36 fließt.
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Wie am besten aus Fig. 3A ersichtlich wird, ist das Auslaßrückschlagventil 66
in einer geschlossenen Position vorgespannt, bei der sich eine Ventilkugel 72 im
Dichtungskontakt mit einem ringförmigen Ventilsitz 74 befindet. Der Ventilsitz 74
grenzt an eine Unterlegscheibe 76. Das Auslaßrückschlagventil 66 ist in Fig. 3A in
geschlossenem und in Fig. 3B in geöffnetem Zustand dargestellt. In der
geschlosse
nen Konfiguration von Fig. 3A hat die Ventilkugel 72 einen Abstand zum Ventilsitz
74. Sowohl in der geöffneten als auch in der geschlossenen Konfiguration wird die
Kugel 72 in Kontakt mit einem T-förmigen Kugelhalter 72 gehalten.
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Das Ventil 66 enthält zwei ineinander verschachtelte Spiraldruckfedern 80 und
82. Das Ventil 66 wird entsprechend einer gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die Spiraldruckfeder 82 in Richtung der
geschlossenen Position vorgespannt. Die Federn 80 und 82 sitzen zwischen einem
Sockel 84 im Ventilgehäuse 67 und einem Querriegel 88 des Kugelhalters 78. Die
gegenüberliegenden Enden der ersten Feder 80 sitzen auf dem Querriegelhalter 88
und auf dem Sockel 84, wenn das Ventil 66 entsprechend Fig. 3B geöffnet ist. Die
gegenüberliegenden Enden der zweiten Feder 82 sitzen auf dem Querriegel 88 und
auf dem Sockel 84, wenn das Ventil geöffnet ist (Fig. 3B) oder geschlossen ist (Fig.
3A) sowie in allen Zwischenpositionen. Ein Schaft 90 des Halters 78 verläuft durch
die Mitte der Federn 80 und 82. Die zweite Feder 82 ist in einer teilweise
zusammengedrückten Konfiguration vorgespannt (Fig. 3A) und drückt auf diese
Weise den Halter 78 und die Kugel 72 in Dichtungskontakt mit dem Ventilsitz 74 und
spannt damit das Ventil 66 in Richtung der geschlossenen Konfiguration vor.
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Die zweite Feder 82 liegt innerhalb der ersten Feder 80 und verläuft
unmittelbar um den Schaft 90. Die erste Feder 80 trägt bevorzugterweise nicht zur
Vorspannung der Ventils 66 in der geschlossenen Konfiguration bei. Die erste Feder
80 ist in einer bevorzugten Ausführungsform gegenüber dem Querriegel 78 oder dem
Sockel 84 oder gegenüber beiden um einen Gesamtbetrag von etwa 0,51 mm (0,020
Inch) versetzt, so daß sie nicht zusammengedrückt ist, wenn sich das Ventil 66 in der
geschlossenen Konfiguration befindet. Das führt dazu, daß die erste Feder 80 sich
nicht negativ auf den Anlaßvorgang des Systems auswirkt und daß sich das
Auslaßventil 66 leicht öffnet, während später bei höheren Beschleunigungen der Membran
62 die erste Feder 80 einrastet und das Ventil 66 in die geschlossene Konfiguration
vorspannt.
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Entsprechend einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung hat die erste Feder 80 eine relativ hohe Federkonstante, während die
zweite Feder 82 eine beträchtlich geringere Federkonstante hat. In einer
Ausführungsform einer luftlosen Farbspritzanlage 10 entsprechend der vorliegenden
Erfindung weist die erste Feder 80 eine Federkonstante von etwa 6100 N/m (35
Pound-Force pro Inch) und die zweite Feder 82 eine Federkonstante von etwa 180
N/m (1 Pound-Force pro Inch) auf. Die zweite Feder 82 bleibt ständig sowohl in den
Sockel 84 als auch in den Querriegel 78 eingerastet, befindet sich also ständig
zumindest in einer teilweise zusammengedrückten Konfiguration. Die relativ geringe
Federkonstante der zweiten Feder 82 wird während des Anlaßvorgangs des Systems
relativ leicht überwunden und vermindert die Empfindlichkeit gegenüber dem
Ventilverschleiß und gegenüber Maßabweichungen der Bauteile des
Auslaßrückschlagventils 66. Die erste Feder 80 rastet in der geschlossenen Position nicht ein, so daß
die Vorspannung des Ventils 66 nicht die Vorspannung herkömmlicher
Auslaßrückschlagventile mit nur einer Feder übersteigt. Im Ergebnis dessen kann das
Auslaßrückschlagventil 66 in vielen standardmäßigen luftlosen Farbspritzsystemen
eingesetzt werden, ohne daß es zu Schäden am System oder zu Beeinträchtigungen
des Unterdruck- und Anlaßvorgangs kommt.
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Während des Betriebs der luftlosen Farbspritzanlage 10 bewirkt die Bewegung
der verformungsweichen Membran 62 das Ansaugen von Farbe in die
Membrankammer 60, während die Einlaßrückschlagventileinheit 42 geöffnet ist. Die spezielle
Funktionsweise des Einlaßrückschlagventils wird in der PCT-Veröffentlichung Nr.
96121519 beschrieben.
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Eine geringe Vorspannung der Kugel 72 ist für das Auslaßventil 66 notwendig,
damit das Pumpen von Luft durch das System beim Anlassen ermöglicht wird, und
um den Verschleiß der Bauteile des Ventils auszugleichen. Allerdings muß beim
Betrieb eine größere Kraft auf die Kugel 72 einwirken, damit das Ventil schnell
geschlossen werden kann und ein Auslaufen bzw. Zurücklaufen von Farbe aus dem
Auslaßventil 66 in die Membrankammer 60 verhindert wird. Das Auslaßventil 66 der
vorliegenden Erfindung bietet einerseits den erforderlichen Ventilöffnungsspielraum,
um das Passieren von Farbe durch das Ventil zu ermöglichen, und weist
andererseits die erforderliche Reaktionszeit auf, um das Ventil sogar bei stark dickflüssigen
Flüssigkeiten oder Farben zu schließen. Die erste Feder 80 steuert die maximale
Bewegungsstrecke der Kugel 72 und des Halters 78 in Abhängigkeit von der
Viskosität der Flüssigkeit. Übliche Viskositäten von Farben liegen zwischen 3,5 · 10&supmin;&sup5;
m²/s (3,8 · 10&supmin;&sup4; ft²/s) und etwa 1,4 · 10&supmin;³ m²/s (1,5 · 10&supmin;² ft²/s), wobei Wasser eine
vergleichsweise viel niedrigere Viskosität von etwa 9,94 · 10&supmin;&sup7; m²/s (1,07 · 10&supmin;&sup5; ft²/s)
hat.
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Konkret kann bei einer Pumpe mit einem möglichen Spitzendurchfluß von
etwa 4,5 l/m (1,2 Gallonen pro Minute) durch den Einsatz des oben beschriebenen
Auslaßventils und der oben beschriebenen Konfiguration aus zwei Federn die
maximal erreichbare Durchflußrate bei sehr dickflüssigen Flüssigkeiten oder Farben
von etwa 3,4 l/m (0,9 Gallonen pro Minute) auf etwa 4,5 l/m (1,2 Gallonen pro
Minute) gesteigert werden. Dieser erhöhte zulässige Flüssigkeitsdurchfluß wurde auf
Grund des Auslaßrückschlagventils erreicht. Wenn allerdings die Bewegungsstrecke
des Ventils vergrößert wird, muß die Reaktionszeit des Ventils in einer Weise
aufrechterhalten werden, daß die Betriebsleistung der Farbspritzanlage 10 nicht
beeinträchtigt wird. Die Reaktionszeit, auf die sich hier bezogen wird, ist die Zeit, die
das Auslaßrückschlagventil 66 für die Bewegung zwischen der geöffneten und der
geschlossenen Position benötigt. Bevorzugterweise sollte das
Auslaßrückschlagventil 66 in einer bevorzugten Ausführungsform der luftlosen Farbspritzanlage 10
entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Reaktionsfrequenz von mehr als 30
Hz aufweisen.
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Das Auslaßrückschlagventil 66 mit zwei Federn hält in der geschlossenen
Konfiguration und während des Anlassens des Systems eine relativ geringe
Vorspannung aufrecht und wird viel stärker gespannt, wenn das Ventil 66 sich in der
geöffneten Position befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform einer luftlosen
Farbspritzanlage entsprechend der vorliegenden Erfindung beträgt die optimale
Bewegungsstrecke der Kugel zwischen der geöffneten und geschlossenen Position
(und umgekehrt) etwa 1,2 mm (0,048 Inch). Dieser Wert ändert sich in Abhängigkeit
von der Ventilgröße, der Bauteilgeometrie, den maximalen Federkonstanten und
anderen Parametern der Farbspritzanlage. Eine größere Bewegungsstrecke kann
niedrige Durchflußraten infolge einer unzureichenden Ventilreaktionszeit bewirken,
und eine kleinere Bewegungsstrecke kann zu einer übermäßigen Einschränkung des
Ventils 66 und zu einem Rückstau führen. In einer bevorzugten Ausführungsform
bewegen sich der Halter 78 und die Kugel 72 um eine Strecke von etwa 0,5 mm
(0,02 Inch) aus der geschlossenen Position, bevor die erste Feder 80 einrastet.
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Durch den Einsatz des Auslaßrückschlagventils 66 mit zwei Federn kann die
Durchflußrate durch das System gesteigert werden, ohne daß es zu negativen
Effekten beim Anlassen und zu einer Beeinträchtigung der Systemleistung kommt.
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Obwohl hier zwar die gesamte Auslaßrückschlagventileinheit mit zwei Federn
gezeigt und beschrieben wird, wird deutlich, daß die Funktion der ersten Feder auch
eigenständig genutzt werden kann, um für eine gesteigerte Durchflußrate von
dickflüssigen Flüssigkeiten zu sorgen, ohne dabei das Anlassen oder die Leistung der
Spritzanlage 10 zu beeinträchtigen. So kann beispielsweise die zweite Feder durch
eine andere Einrichtung oder Vorrichtung ersetzt werden, um eine geringe
Vorbelastung auf das Ventil 66 zu erzeugen und das Ventil 66 vorzuspannen, wie
zum Beispiel andere Federtypen, Schwerkraft, hydraulisch betätigte Vorrichtungen,
pneumatisch betätigte Vorrichtungen oder dergleichen, die dem Fachmann auf
diesem Gebiet der Technik vertraut sind. Darüber hinaus kann die vorliegende
Erfindung auch in Kombination der Erfindung verwendet werden, die in der PCT-
Veröffentlichung Nr. 96/21519 offenbart ist. Dadurch können zusätzliche Vorteile
gewonnen werden, indem noch mehr Probleme im Zusammenhang mit Kavitation
und reduziertem Flüssigkeitsdurchfluß vermieden werden als bei einer einzelnen
Nutzung der Erfindungen. Die hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung beziehen sich zwar auf das Beispiel einer Farbspritzanlage mit
Membran, die Erfindung kann jedoch auch problemlos in Farbspritzanlagen mit
Kolbenpumpen oder anderen Systemen eingesetzt werden.