(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の筒部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の一端から中心軸より離れる方向へ傾斜して伸延する内面部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の他端から前記内面部の伸延方向端部まで伸延する外面部と、を備え、内面部の外表面がベル状に窪んだ形状の回転霧化頭であって、
前記内面部の板厚が、中心軸に近い側から遠い側に向かって半分以下まで減少されることを特徴とする回転霧化頭。
【請求項２】
前記外面部の板厚は、前記内面部の中心軸に近い側の板厚の半分以下であることを特徴とする請求項１に記載の回転霧化頭。
【請求項３】
前記内面部と外面部の間に、リブが設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の回転霧化頭。
【請求項４】
前記リブは、前記内面部および外面部と同一中心軸を有する筒形状であることを特徴とする請求項３に記載の回転霧化頭。
【請求項５】
前記リブは、前記内面部および外面部の中心軸から離れる方向へ伸延することを特徴とする請求項３に記載の回転霧化頭。
【請求項６】
筒状の筒部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の一端から中心軸より離れる方向へ傾斜して伸延する内面部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の他端から前記内面部の伸延方向端部まで伸延する外面部と、を備え、前記内面部の板厚が、中心軸に近い側から遠い側に向かって半分以下まで減少され、内面部の外表面がベル状に窪んだ形状の回転霧化頭の設計方法であって、
回転霧化頭の有限要素法解析モデルを作成する段階と、
内面部の外表面が中心軸垂直面に対して成す傾斜角を決定する段階と、
前記有限要素法解析モデルにより構造解析を行う段階と、
前記構造解析の結果である評価パラメータが基準値以内でない場合に解析モデルを修正する段階と、を有することを特徴とする回転霧化頭の設計方法。
【請求項７】
前記傾斜角を決定する段階は、所定の角度範囲内の傾斜角を有する有限要素法解析モデルを複数作製し、それぞれの有限要素法解析モデルによる解析結果を比較することにより決定することを特徴とする請求項６に記載の回転霧化頭の設計方法。
【請求項８】
前記有限要素法解析モデルにより構造解析を行う段階は、回転荷重を付加した構造解析および集中荷重を付加した構造解析の少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項６または７に記載の回転霧化頭の設計方法。
【請求項９】
前記評価パラメータは、重量、最大応力および最大撓み量であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の回転霧化頭の設計方法。
【請求項１０】
前記解析モデルを修正する段階は、外面部の板厚を調整することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の回転霧化頭の設計方法。
【請求項１１】
前記解析モデルを修正する段階は、内面部と外面部の間にリブを設けることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の回転霧化頭の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベル型塗装機に用いられる回転霧化頭および回転霧化頭の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ベル型塗装機を使用したベース塗装が一般化されてきている。この塗装方法では、回転する回転霧化頭の遠心力で霧化されたベース塗料を強いシェービングエアで被塗物に叩き付けて光輝材の配向を促し、結果として色味を確保することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、この塗装方法では、強いシェービングエアを必要とするため、塗料粒子の跳ね返りが多く、高塗着効率が得られないという欠点がある。このため、一般的に３０、０００ｒｐｍ以下で回転されていたベルを、より高速回転とすることで塗料を均一に微粒子化させ、塗料粒子の跳ね返りを抑えて、被塗物の薄膜化を促すことができる。
【０００４】
しかし、このような高速回転では、回転霧化頭に過大な遠心力が作用するため強度上の問題が発生し、また慣性モーメントの増加により回転制御が困難となるという問題も発生する。
【特許文献１】特開平３−３０８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、高速回転においても強度を保ちつつ軽量化が可能な回転霧化頭および回転霧化頭の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係る回転霧化頭は、筒状の筒部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の一端から中心軸より離れる方向へ傾斜して伸延する内面部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の他端から前記内面部の伸延方向端部まで伸延する外面部と、を備え、内面部の外表面がベル状に窪んだ形状の回転霧化頭であって、前記内面部の板厚が、中心軸に近い側から遠い側に向かって半分以下まで減少されることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る回転霧化頭の設計方法は、筒状の筒部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の一端から中心軸より離れる方向へ傾斜して伸延する内面部と、前記筒部と同一の中心軸を有し筒部の他端から前記内面部の伸延方向端部まで伸延する外面部と、を備え、前記内面部の板厚が、中心軸に近い側から遠い側に向かって半分以下まで減少され、内面部の外表面がベル状に窪んだ形状の回転霧化頭の設計方法であって、回転霧化頭の有限要素法解析モデルを作成する段階と、内面部の外表面が中心軸垂直面に対して成す傾斜角を決定する段階と、前記有限要素法解析モデルにより構造解析を行う段階と、前記構造解析の結果である評価パラメータが基準値以内でない場合に解析モデルを修正する段階と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように構成した本発明に係る回転霧化頭は、内面部の板厚が、中心軸に近い側から遠い側に向かって減少されるため、回転時に遠心力への寄与率の高い回転外側部が軽量化され、高速回転における遠心力の増加を抑えつつ回転霧化頭を軽量化することが可能となる。また、軽量化されることにより、回転数制御を正確かつ迅速に行うことが可能となる。
【００１０】
回転霧化頭の内面部と外面部の間にリブが設けられれば、強度を保ちつつ内面部および外面部をより薄くすることができ、軽量化および発生する遠心力を低減することができる。また、軽量化されることにより、回転数制御を正確かつ迅速に行うことが可能となる。
【００１１】
上記のように構成した本発明に係る回転霧化頭の設計方法は、解析結果により有限要素法解析モデルを修正しつつ設計するため、どのような材料や形状の高回転の塗装ベルでも、最適設計が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１は、ベル型塗装機を示す部分断面図、図２は本実施形態に係る回転霧化頭を示す斜視図、図３は第１実施形態に係る回転霧化頭を示す断面図である。
【００１４】
図１に示すように、ベル型塗装機１は、エアモータ（不図示）により高速回転するベル型の回転霧化頭２を有している。
【００１５】
第１実施形態に係る回転霧化頭２は、内部に中空部６が形成されており、筒状の筒部３と、筒部３と同一の中心軸を有し、筒部３の一端から中心軸より離れる方向へ傾斜して伸延する内面部４と、筒部３と同一の中心軸を有し、筒部３の他端から内面部４の伸延方向端部まで伸延する外面部５と、を有しており、内面部４の外表面がベル状に窪んだ形状となっている。回転霧化頭２には、回転中心部に空間部７が形成されるようにハブ部材８が取り付けられる。
【００１６】
回転霧化頭２は、エアモータにより回転駆動される駆動軸９に連結されて、回転可能な構造となっている。
【００１７】
また、駆動軸９の内部には、回転霧化頭２の空間部７まで伸びる供給管１０が設けられ、この供給管１０を通って塗料が空間部７に供給される。空間部７に供給された塗料は、ハブ部材８に設けられる複数の貫通穴１１から外部に漏出され、回転に伴う遠心力により内面部４の外表面に沿って移動し、内面部４の環形状外側端部から微粒子化されて噴霧される。この回転霧化頭２には高電圧が印加されており、供給される塗料を帯電させることができ、微粒子化された帯電塗料粒子は、回転霧化頭２と回転霧化頭２の開口方向に設置される被塗物との間に形成される静電界に沿って移動し、被塗物に塗着される。
【００１８】
回転霧化頭２の外側には、回転霧化頭２を囲むようにリング状に形成されるシェービングエアノズル１２が設けられており、シェービングエアノズル１２から吐出されたシェービングエアにより、回転霧化頭２から噴霧された塗料が、被塗物にパターン形成される。
【００１９】
回転霧化頭２の内面部４は、図３に示すように、中心軸から遠い側の板厚ｔ１が、中心軸に近い側の板厚ｔ２の半分以下であり、遠い側に向かって連続的に薄くなっている。
【００２０】
また、回転霧化頭２の外面部５の板厚ｔ３は、内面部４の中心軸に近い側の板厚ｈ２の半分以下で形成される。本実施形態では、板厚ｔ３は外面部５の全体に亘って一定である。なお、外面部５の板厚ｔ３は、全体に亘って一定でなくてもよく、例えば中心軸から遠い側に向かって連続的に薄く形成されてもよい。
【００２１】
回転霧化頭２に作用する遠心力（Ｍ・Ｒ・ω２）は、質量Ｍおよび回転半径Ｒに比例し、また角速度ωの二乗に比例するため、特に回転軸から離れた（回転半径Ｒの大きい）部位の質量が大きいと遠心力が過大となり、強度に問題が発生する可能性がある。しかし、本実施形態の回転霧化頭２は、内面部４の中心軸から離れた部位の板厚ｔ１が中心軸に近い側の板厚ｔ２の半分以下となっているため、回転時に遠心力への寄与率の高い回転外側部が軽量化され、したがって、高速回転における遠心力の増加を抑えつつ回転霧化頭を軽量化することが可能となる。また、内面部４よりも中心軸から離れて位置する外面部５の板厚ｔ３が、内面部４の中心軸に近い側の板厚ｔ２の半分以下であるため、同様に軽量化を図りつつ過大な遠心力の発生を抑えることができる。本実施形態では、従来モデルに対して重量を３０％程度削減することができると同時に、重心の位置を回転軸に接近させることができる。このような構造の回転霧化頭２では、作用する遠心力も従来品の半分以下とすることができる。
【００２２】
図４は、本実施形態に係る回転霧化頭の給気圧力と回転速度の関係を示すグラフである。
【００２３】
図４に示すように、従来の回転霧化頭では回転速度はＡ１（３０、０００ｒｐｍ）近辺で使用することが前提であったため重量が重く、音速に近くなる回転数Ａ２（６０、０００ｒｐｍ）まで達することができない。しかし、本発明に係る実施形態では、軽量化が図られているため、６０、０００ｒｐｍを超えて回転することが可能である。したがって、発生する塗料の微粒子がより細かく、かつ均一に得られ、被塗物への塗料の塗着効率を向上させることができる。
【００２４】
さらに、回転霧化頭２が軽量化されることにより慣性モーメントも低減され、回転数を迅速かつ正確に制御することができる。
【００２５】
また、回転霧化頭２が軽量化できるため、高速回転のベル塗装においても、大口径で最大吐出量が５００ｃｃ／ｍｉｎ（通常、１００〜２００ｃｃ／ｍｉｎ程度）程度の回転霧化頭２を使用することが可能となる。
【００２６】
＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態に係る回転霧化頭を示す断面図である。なお、第１実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００２７】
第２実施形態に係る回転霧化頭２’は、図５に示すように、前述の第１実施形態の板厚をさらに薄肉化した形態である。また、回転霧化頭２では、板厚ｔ１’，ｔ２’，ｔ３’（第１実施形態の板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３に相当）に制限を設けるのではなく、薄肉化による強度不足を補うために、中空部６にリブ１３が設けられる。このリブ１３は、内面部４と同一の中心軸を有する筒状に形成され、中空部６で内面部４と外面部５の間を差し渡すように形成される。このようなリブ１３を設けることにより、内面部４および外面部５の薄肉化および軽量化を図りつつ強度低下を防ぐことができ、例えば回転霧化頭２の薄肉化の必要がある場合や、板厚分布差設定が困難な場合等に有効である。また、このリブ１３は、複数設けられてもよい。
【００２８】
また、第１実施形態と同様に板厚ｔ１’，ｔ２’，ｔ３’に制限を設けつつ、さらに第２実施形態のようにリブ１３を設けてもよい。
【００２９】
なお、第２実施形態の薄肉化および軽量化による効果は第１実施形態の効果と同様であるため、説明は省略する。
【００３０】
次に、本実施形態に係る回転霧化頭の設計方法について説明する。
【００３１】
図６は、本実施形態に係る回転霧化頭の設計方法を説明するためのフローチャート、図７は、本実施形態に係る回転霧化頭の解析における荷重付加位置を示す断面図であり、（Ａ）は集中荷重、（Ｂ）は回転荷重による解析を示し、図８は本実施形態に係る回転霧化頭の回転荷重による解析結果を示す断面図である。なお、図７、８においては回転霧化頭２が対称形状であることから、断面の半分のみを示している。
【００３２】
回転霧化頭２の設計には、有限要素法（ＦＥＭ）による構造解析手法が用いられる。
【００３３】
初めに、使用される材料の材料定数（例えば、比重、ヤング率およびポアソン比）、外面部５のパレメータ（外径、形状および板厚ｔ３等）、内面部４のパラメータ（外径、形状および板厚ｔ１，ｔ２等）等を決定してコンピュータに入力し、ＦＥＭ解析モデルを作成する（Ｓ１）。
【００３４】
次に、内面部４の外表面が回転軸垂直面に対して有する傾斜角θを設計上変更可能か判断する（Ｓ２）。何らかの制約により傾斜角θを変更可能でない場合には、後述するステップＳ４の工程へ移行する。
【００３５】
傾斜角θを変更可能な場合には、傾斜角θを、基準値θｉを基準にその前後を所定のα度の範囲内で１度毎に変更した複数の解析モデルを作成する（Ｓ３）。ここで、傾斜角θを変更する角度は、必ずしも１度毎でなくてもよい。
【００３６】
次に、作成した解析モデルを用いて、集中荷重を付加した構造解析および／または回転荷重を付加した構造解析を行う（Ｓ４）。集中荷重を付加した構造解析では、集中荷重Ｆを例えば内面部４の環形状外周端部に軸方向から付加する（図７（Ａ）参照）。また、回転荷重を付加した構造解析では、例えば所定の回転数毎の回転負荷を作用させる（図７（Ｂ）参照）。
【００３７】
次に、上記の解析結果を基に、最も軽量化できる傾斜角θを決定する（Ｓ５）。この際には、傾斜角θが大きいほど回転霧化頭２の重量が増加し、また小さいほど作用する遠心力による変形が大きくなるため、この点を考慮して決定する。
【００３８】
次に、回転霧化頭２の重量（評価パラメータ）が目標値以下であるかを判断する（Ｓ６）。この条件を満たさない場合には、外周部の板厚ｔ３を調整して設計変更し（Ｓ７）、ステップＳ１に戻る。ステップＳ６の条件を満たす場合には、回転霧化頭２に生じる最大応力および最大撓み量（評価パラメータ）が基準値以下であるかを判断する（Ｓ８）。ステップＳ８の条件を満たす場合には、回転霧化頭２の最適設計形状が決定され（Ｓ９）、設計が完了する。ステップＳ８の条件を満たさない場合には、リブ１３を追加するか否かを選択する（Ｓ１０）。リブ１３を追加しない場合には、外周部の板厚ｔ３を調整して設計変更し（Ｓ７）、ステップＳ１に戻る。リブ１３を追加する場合には、ステップＳ４における解析結果（図８参照）より内面部４および外面部５のそれぞれの最も撓む部位Ｐ１，Ｐ２を特定し、それぞれの部位を差し渡すように筒形状のリブ１３を追加した解析モデルを作成する（Ｓ１１）。
【００３９】
次に、ステップＳ１１において解析モデルを作成した後には、この解析モデルを用いて集中荷重を付加した構造解析および／または回転荷重を付加した構造解析を行う（Ｓ１２）。この後、ステップＳ６の工程に戻り、再び回転霧化頭２の重量が目標値以下であるかを判断する（Ｓ６）。
【００４０】
このような設計方法を用いることにより、どのような材料や形状の高回転の塗装ベルでも、最適設計が可能となる。
【００４１】
次に、本実施形態に係る回転霧化頭の設計方法により設計された回転霧化頭の解析例を示す。
【００４２】
図９は回転霧化頭の解析モデルを示す断面図であり、（Ａ）は回転霧化頭、（Ｂ）は第１実施形態に係る回転霧化頭に対応する解析モデル１、（Ｃ）は第２実施形態に係る回転霧化頭に対応する解析モデル２を示す。なお、図９においては回転霧化頭が対称形状であることから、断面の半分のみを示している。
【００４３】
それぞれの解析モデルの回転霧化頭２の材料はチタンであり、外径Ｄ１、内径Ｄ２，Ｄ３および長さＬは同一である。
【００４４】
＜解析例１＞
まず、解析例１として、上述の従来モデル、解析モデル１，２の回転霧化頭２に集中荷重を負荷した例を示す。
【００４５】
表１は、本解析例に係る回転霧化頭の集中荷重による解析結果である。
【００４６】
【表１】
0004826280.tif 000002
【００４７】
集中荷重による解析の解析条件としては、集中荷重を１０ｋｇｆとし、内面部４の環形状外周端部に軸方向から付加した（図７（Ａ）参照）。
【００４８】
集中荷重による解析では、最大応力は材料の疲労限（本解析例のチタンでは６５０Ｍｐａ）以下であること、最大変位量は基準値（本解析例では０．０２ｍｍ）以下であることが必要である。
【００４９】
表１より、解析モデル１，２の最大応力は疲労限である６５０ＭＰａ以下であり、最大変位量は基準値である０．０２ｍｍよりも低いため、設計基準を満たしていることが確認できた。このように、解析モデル１，２（第１，第２実施形態）のように回転霧化頭２，２’を薄肉化しても最大応力および最大変位量を基準値以下に設定することが可能である。
【００５０】
＜解析例２＞
次に、解析例２として、上述の従来モデル、解析モデル１，２の回転霧化頭に回転負荷を与えた例を示す。
【００５１】
表２は、従来の回転霧化頭（従来モデル）の回転負荷による解析結果、表３は、第１実施形態に対応する回転霧化頭（解析モデル１）の回転負荷による解析結果、表４は、第２実施形態に対応する回転霧化頭（解析モデル２）の回転負荷による解析結果である。
【００５２】
【表２】
0004826280.tif 000003
【００５３】
【表３】
0004826280.tif 000004
【００５４】
【表４】
0004826280.tif 000005
【００５５】
解析例２では、６０、０００ｒｐｍから１００、０００ｒｐｍまで１０、０００ｒｐｍ毎の回転負荷を作用させた（図７（Ｂ）参照）。
【００５６】
回転負荷による解析では、最大応力は材料の疲労限（本解析例のチタンでは６５０Ｍｐａ）以下であること、最大変位量は基準値（本解析例では、６０、０００ｒｐｍで０．１ｍｍ、８０、０００ｒｐｍで０．２ｍｍ）以下であることが必要である。
【００５７】
表２〜４に示すように、解析モデル１，２の最大応力および最大変位量が設計基準を満たしていることが確認できた。このように、回転霧化頭２，２’を薄肉化しても最大応力および最大変位量を基準値以下に設定することが可能である。
【００５８】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、図１０に示す回転霧化頭の平面図のように、複数のリブ２３が中空部６で内面部４と外面部５の間を差し渡すように放射状に形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ベル型塗装機を示す部分断面図である。
【図２】本実施形態に係る回転霧化頭を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る回転霧化頭を示す断面図である。
【図４】本実施形態に係る回転霧化頭の給気圧力と回転速度の関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態に係る回転霧化頭を示す断面図である。
【図６】本実施形態に係る回転霧化頭の設計方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】本実施形態に係る回転霧化頭の解析における荷重付加位置を示す断面図であり、（Ａ）は集中荷重、（Ｂ）は回転荷重による解析を示す。
【図８】本実施形態に係る回転霧化頭の回転荷重による解析結果を示す断面図である。
【図９】回転霧化頭の解析モデルを示す断面図であり、（Ａ）は回転霧化頭、（Ｂ）は第１実施形態に係る回転霧化頭に対応する解析モデル１、（Ｃ）は第２実施形態に係る回転霧化頭に対応する解析モデル２を示す。
【図１０】本発明に係る回転霧化頭の他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１    ベル型塗装機、
２，２’    回転霧化頭、
３    筒部、
４    内面部、
５    外面部、
６    中空部、
７    空間部、
８    ハブ部材、
９    駆動軸、
１０    供給管、
１１    貫通穴、
１２    シェービングエアノズル、
１３    リブ、
ｔ１，ｔ１’    内面部の板厚（内面部から遠い側）、
ｔ２，ｔ２’    内面部の板厚（内面部に近い側）、
ｔ３，ｔ３’    外面部の板厚。
【図１】
0004826280.tif 000006
【図２】
0004826280.tif 000007
【図３】
0004826280.tif 000008
【図４】
0004826280.tif 000009
【図５】
0004826280.tif 000010
【図６】
0004826280.tif 000011
【図７】
0004826280.tif 000012
【図８】
0004826280.tif 000013
【図９】
0004826280.tif 000014
【図１０】
0004826280.tif 000015