(57)【要約】本発明は、電着コーティング装置において有効な膜アセンブリとそのような膜アセンブリを構築する方法に関するものである。膜アセンブリは、膜シート、ガイド及びフレームを含んでもよい。本発明の一実施形態では、膜アセンブリは、らせん状の継ぎ目に沿って膜シートを超音波溶接し、押出成形されたガイドとフレームとの間の膜シートを配置することによって管状に形成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側部と第２の側部とを有する膜シートを、前記第１の側部と前記第２の側部とがらせん状の継ぎ目で重なるように成形する段階と、
前記第１の側部と前記第２の側部とを前記継ぎ目で結合して結合膜を形成する段階と、
前記結合膜を内側ガイドと外側フレームとの間に配置する段階とを備えた膜アセンブリを作製する方法。
【請求項２】
前記結合膜が管状の形状を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記内側ガイド及び前記外側フレームのそれぞれが、管状の形状を有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記の管状の形状が約２インチから約３．５インチの範囲の内径を有する請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の側部と前記第２の側部とが１／２インチ重なっている請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記成形段階が、前記膜シートを心棒の周りに巻回することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記結合段階が、超音波溶接することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記継ぎ目には続く方向があり、
前記超音波溶接することには、前記継ぎ目の続く方向に実質的に直交する超音波溶接ホーンを配置することと、及び、前記超音波溶接ホーンと固定部との間に前記続く方向に沿って前記継ぎ目を供給することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記膜シートを連続膜シートから切断することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記切断は前記成形後に行う請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記膜シートは熱可塑性材料から成る請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記膜シートは予め膨張される請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記成形段階は、前記膜シートを膜材料の連続シートから切断することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記膜シートは長斜方形形状に切断される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、前記膜を予め膨張されることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
第１の側部と第２の側部とを有する膜シートを、前記第１の側部と前記第２の側部とが継ぎ目で重なるように成形する段階と、
前記第１の側部と前記第２の側部とを前記継ぎ目で超音波溶接して結合膜を形成する段階と、
前記結合膜を内側ガイドと外側フレームとの間に配置する段階とを備えた膜アセンブリを作製する方法。
【請求項１７】
前記継ぎ目はらせん状である請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記継ぎ目は垂直状である請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、前記膜を予め膨張することを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
ある形状を有する膜アセンブリであって、
第１の側部と第２の側部とを有する前記形状の膜であって、前記第１の側部と前記第２の側部とが継ぎ目に沿って少なくとも一の超音波溶接結合部で結合されているところの膜と、
内側ガイドと、
外側フレームとを備えた膜アセンブリ。
【請求項２１】
さらに、最上端キャップを備えた請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項２２】
さらに、底端キャップを備えた請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項２３】
さらに、アノード液供給管を備えた請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項２４】
さらに、アノード液戻りを備えた請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項２５】
さらに、電極を備えた請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項２６】
さらに、前記電極が通り抜ける穴を有する最上端キャップを備えた請求項２５に記載の膜アセンブリ。
【請求項２７】
前記内側ガイドは少なくとも一の穴を備えたボディを有する請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項２８】
前記内側ガイドは押し出しチューブで形成される請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項２９】
前記外側フレームは少なくとも一の穴を備えたボディを有する請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項３０】
前記外側フレームは押し出しチューブで形成される請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項３１】
前記継ぎ目がらせん状である請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項３２】
前記膜が予め膨張されている請求項２０に記載の膜アセンブリ。
【請求項３３】
ある形状を有する膜アセンブリであって、
第１の側部と第２の側部とを有する前記形状の膜であって、前記第１の側部と前記第２の側部とがらせん状の継ぎ目で結合されているところの膜と、
内側ガイドと、
外側フレームとを備えた膜アセンブリ。
【請求項３４】
さらに、最上端キャップを備えた請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項３５】
さらに、底端キャップを備えた請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項３６】
さらに、アノード液供給管を備えた請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項３７】
さらに、アノード液戻りを備えた請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項３８】
さらに、電極を備えた請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項３９】
さらに、前記電極が通り抜ける穴を有する最上端キャップを備えた請求項３８に記載の膜アセンブリ。
【請求項４０】
前記内側ガイドは少なくとも一の穴を備えたボディを有する請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項４１】
前記内側ガイドは押し出しチューブで形成される請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項４２】
前記外側フレームは少なくとも一の穴を備えたボディを有する請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項４３】
前記外側フレームは押し出しチューブで形成される請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項４４】
前記継ぎ目がらせん状形状である請求項３３に記載の膜アセンブリ。
【請求項４５】
ある形状を有する膜アセンブリであって：
第１の側部と第２の側部とを有する前記形状の膜であって、前記第１の側部と前記第２の側部とが継ぎ目に沿って少なくとも一の超音波溶接結合部で結合されているところの膜と、
内側ガイドと、
外側フレームと、
電極と、
コーティング材料、溶媒及び可溶化剤を含む水溶液と、を備えた膜アセンブリを具備する電着コーティング装置。
【請求項４６】
ある形状を有する膜アセンブリであって：
第１の側部と第２の側部とを有する前記形状の膜であって、前記第１の側部と前記第２の側部とがらせん状の継ぎ目で結合されているところの膜と、
内側ガイドと、
外側フレームと、
電極と、
コーティング材料、溶媒及び可溶化剤を含む水溶液と、を備えた膜アセンブリを具備する電着コーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電着コーティング装置において有効な膜アセンブリとそのような膜アセンブリを構築する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
電着装置は、コーティング材料、溶媒及び中和剤の溶液に浸漬された電極を含む。コーティング材料は電極の表面に堆積するので、溶液にコーティング材料の供給を補給しなければならない。さもなければ、溶液内の中和剤の濃度が上昇し、電着コーティングに“ピンホール”欠陥を形成する。この問題を解決する電着装置が、米国特許出願シリアル番号０９／１８３，５４７号であって現在、チェン・Ｈ・リー（Ｃｈｅｎｇ Ｈ．Ｌｅｅ）に特許が付与された米国特許第６，２６４，８０９号に記載されている（“リー装置”）。
【０００３】
リー装置の実施形態では、管状電極が管状膜アセンブリに囲繞されている。管状膜アセンブリは、外側フレームと内側フレームとその間に備えた透過性膜とから成る。内側壁及び外側壁は非透過性材料から成り、コーティング材料が通過する穿孔を含んでもよい。コーティング材料は、フレームの外側壁にあるウィンドウを通過し、膜を透過し、フレームの内側壁になるウィンドウを通過する。管状膜アセンブリを通過する際、コーティング材料は電解質が浸漬している溶液に分解する。
【０００４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は、電着コーティング装置で役に立つ膜アセンブリ及びこのような膜アセンブリを構成する方法に関する。膜アセンブリは、膜シート、ガイド及びフレームを含んでもよい。本発明の実施形態では、膜アセンブリは管状に形成されてもよい。
【０００５】
図１は、本発明の膜アセンブリの典型的な用途を示すものである。膜アセンブリ１はアノード２を囲む。アノード２はステンレス鋼から成ってもよく、円筒形状でもよい。ペイントのような材料が電着される対象物がカソード３として作用する。装置の他の態様では、カソード３及びアノード２は入れ替えてもよく、すなわち、材料が電着される対象がアノードとして作用してもよく、膜アセンブリ１はカソード３を囲んでもよい。カソードが被覆されるところでは、コーティング材料は通常アニオンである。逆に、アノードが被覆されるところでは、コーティング材料は通常カチオンである。以下の議論のために、装置はアニオンコーティング材料を用い、被覆される要素はカソードであると仮定しよう。しかしながら、本発明はアノード装置及びカソード装置の両方に関するものであることには変わりない。
【０００６】
アノード２は、バッテリ整流器等のＤＣ電源４の正の端子に電気的に接続される。カソード３は、ＤＣ電源４の負の端子に電気的に接続される。膜アセンブリ１，アノード２及びカソード３は、可溶性堆積材料６を含む水溶液５に少なくとも部分的に沈められている。水溶液５は電着タンク１０に収容されてもよい。水溶液５は通常、堆積材料７、（水のような）溶媒、可溶化剤（溶解補助剤）８を含む。可溶化剤８は、可溶性堆積材料６のイオン化を促進する。カソード３が被覆される要素である装置では、可溶化剤８は酢酸のような酸であってもよい。アノードが被覆される装置では、可溶化剤はトリエチルアミンのような塩基であってもよい。堆積材料７がカソード３で水溶液５から取り出されると、追加の堆積材料は連続的に溶液に付加してもよい。
【０００７】
電着工程が続きと、可溶性堆積材料６は溶液から出てくる（溶解してない堆積材料７として示したように）。可溶化剤８は溶液に残ったままである。水溶液５内の可溶化剤８の濃度の変化はカソード３上の電着コーティングの質に影響を与え、カソードコーティングの表面に“ピンホール”型の欠陥を形成し得る。従って、水溶液５内の可溶化剤８の濃度を制御するのが望ましい。
【０００８】
膜アセンブリ９は、水溶液５内の可溶化剤８の濃度を制御する装置の一部であってもよい。膜アセンブリは、アノード液供給管１１とアノード液戻り１２とを含んでもよい。アノード液供給管１１は、新規の可溶化剤溶液を膜アセンブリ９の内部領域に供給するものである。アノード液供給管１１で供給される可溶化剤溶液は、水溶液５において所望の濃度に等しい可溶化剤濃度を有してもよい。さらに、膜アセンブリ９の壁は可溶化剤８に対して透過性であってもよい。このような実施形態では、水溶液５内の可溶化剤８の濃度が所望の濃度を超える場合、可溶化剤は膜アセンブリ９の壁を抜けて、膜アセンブリの内部における可溶化剤溶液の中へ流れていくことができる。使用済みの可溶化剤溶液は、アノード液戻り１２を介して膜アセンブリ９の内部から除去される。使用済みの可溶化剤溶液は処理して、アノード液供給管１１を介して使うために戻してもよい。
【０００９】
このような装置では、膜アセンブリ９は旋条底部キャップを有してもよく（図２参照）、アノード液供給管１１は底部キャップにおける貯蔵部に新規の可溶化剤溶液を供給してもよい。このようにして膜アセンブリ９に可溶化剤溶液を導入する効果としては、可溶化剤溶液が渦巻き状の膜アセンブリ９の内部を通って上方へ移動することである。この渦巻きは、腐植を防止し又低減するために、アノードの表面から酸素及び他の不純物を除去する洗浄効果を生ずることである。
【００１０】
図２に本発明の膜アセンブリの実施形態を示す。図示した実施形態では、膜アセンブリの形状は管状である。アセンブリは、膜アセンブリ壁１０１と、アノード液戻り１０２と、アノード液供給管１０３と、頂部キャップ１０４と、底部キャップ１０５とを備える。頂部キャップは、電極（アノード又はカソード）が挿入される穴を有してもよい。底部キャップ１０５、頂部キャップ１０４又はその両方は、膜アセンブリ壁１０１を受容するように溝が形成されていてもよい。膜アセンブリ壁１０１は、図２Ａで示したような３層−外側フレーム１０６，膜１０７，内部ガイド１０８−から成ってもよい。フレーム１０６とガイド１０８とは、可溶化剤８が通過する複数の穴１０９ａ，１０９ｂを含んでもよい。水溶液５内の可溶化剤の濃度を低下するために、可溶化剤を膜アセンブリの外側から膜アセンブリの内側へ通過させることができ、又は、水溶液５内の可溶化剤の濃度を増大するために、膜アセンブリの内側から膜アセンブリの外側へ通過させることができるように、膜１０７は選択的に透過性を有してもよい。
【００１１】
膜１０７は、コーティング材料、溶媒又は可溶化剤に反応しない材料から成るのが好ましい。適当な膜材料の例としては、ニュージャージー州グレンロックのメンブレン・インターナショナル社製のＵＬＴＲＥＸ ＡＭＩ−７００１アニオン膜がある。選択された材料は、コーティング材料、溶媒及び中和剤から成る溶液に載置すると膨張してもよい。膜アセンブリが構築され、次いで溶液に載置されるとき、膜１０７が溶液への載置後に大きく膨張するか否かという問題が生ずるかもしれない。膜１０７が膨張するときに、膜の部分部分は、ガイド１０８又はフレーム１０６における穴１０９ａ，１０ｂを抜けて突出してもよい。これによって、膜の表面とコーティング材料との間の接触面積を低減し、コーティング材料が膜１０７を通過するのを遅くする。さらに、コーティング材料固体又は汚染物質は、膜１０７の突出部分とガイド１０８あるいはフレーム１０６との間のポケットに蓄積して、さらに電着効率を低下させる。
【００１２】
本発明の一実施形態では、この問題は膜１０７を予め膨張させておくことによって解決する。膜１０７は、グリセリンが約３０−５０重量％の溶液、又はポリヒドロキシ化合物の水溶液で膜材料の平坦シートを濡らすことによって予め膨張させておく。濡らし工程には、少なくとも約１０分間、膜材料の平坦シートを溶液で濡らすことが含まれている。予め膨張させた膜１０７は次いで、丸められ、又は膜アセンブリの所望の形状に形成される。例えば、予め膨張させた膜１０７は丸められて、特定の内径あるいは外径を有する管状形状にされてもよい。あるいはまた、予め膨張させた膜１０７が所望の膜アセンブリ形状にされた後、膨張されてもよい。
【００１３】
図３Ａ及び図３Ｂは、所望の膜アセンブリ形状を有する膜の構築について詳細に示したものである。好適な実施形態では、膜アセンブリの形状は管状であって、膜は、その側部をらせん状の継ぎ目に沿って結合することによってこの形状にされる。図３Ａは、所望の膜アセンブリ形状に形成される前の膜２０１を示す。図３Ｂは、らせん状の継ぎ目を有して所望の管状膜アセンブリに形成された膜を示す。膜２０１を所望の膜アセンブリ形状に形成するために、膜２０１の側部２０２ａと２０２ｂとを合わせて、側部２０２ａ及び２０２ｂのそれぞれに近接する膜２０１の部分を重ねる。
【００１４】
膜２０１の形状は少なくとも部分的に所望の継ぎ目形状に依存する。膜２０１は、らせん状の継ぎ目２０３が得られるように、図３Ａでは長斜方形である。垂直の継ぎ目が所望されている実施形態では、膜２０１は矩形状であってもよい。連続シートを用いるところでは、長斜方形状は、新しい前縁２０４を形成するために矩形状シートの前縁をある角度で切断し、連続シートの供給方向に対応する角度で連続シートを供給することによって、標準的な矩形連続シートから形成しててもよい。
【００１５】
膜のサイズは、膜アセンブリ形状の所望のサイズによって決定される。例えば、前縁２０４と後縁２０５との間の垂直距離は、所望の膜アセンブリ形状に形成されたときは膜の所望の高さに等しくてもよい。図３Ａは前縁２０４及び後縁２０５の両方を示しているが、膜２０１は、所望の膜アセンブリ形状に形成される前に前縁２０４、後縁２０５あるいはその両方が欠けた連続シート状であってもよいことは理解されたい。膜２０１が所望の膜アセンブリ形状に形成された後、前縁２０４及び／又は後縁２０５を有するように膜２０１を切断してもよい。側部２０２ａ及び２０２ｂ上の対応する点の間の水平距離は、所望の膜アセンブリ形状に形成時の膜の所望の周縁と重なり領域２０６の水平幅との和と実質的に等しくてもよい。膜アセンブリが管状を有する実施形態では、それが管状に形成された後の膜の内径は約２インチから３．５インチの範囲であることが好ましい。
【００１６】
重なり領域２０６の面積は、膜アセンブリ形状の内径が特定の値になるように選択してもよく、また、重なる膜材料を結合するのに用いられる方法の種類に依存するように選択してもよい。膜アセンブリの側部を結合する方法には、熱溶接、超音波溶接、留めあるいは接着結合を含まれてもよい。接着結合を用いる実施形態では、接着剤は、重なり側部２０２ａ及び２０２ｂと共に外側側部２０２ｂの側面上にも付けられる。熱溶接を用いる実施形態では、溶接材料は隅肉溶接を形成するように付けてもよい。特定の結合方法を選択する際の考慮事項には、膜２０１を形成する材料の熱的及び化学的性質、膜アセンブリ９が最終的な用途において受ける機械的な応力及び／又は張力、製造のコスト及びその容易さ等がが含まれる。例えば、超音波溶接は感熱性の膜材料、及び、膜アセンブリが接着剤と両立しない水溶液に浸漬される用途に特に適している。
【００１７】
超音波溶接を用いる実施形態では、側部２０２ａと２０２ｂとを合わせて重なり領域２０６を形成する。重なり領域は約１／２インチの幅を有してもよい。重なり領域２０６の一部は固定部とホーンとの間に配置され、それによって、固定部とホーンとはいずれも側部２０２ａと２０２ｂとに近接する膜２０１の表面に接触する。ホーンは、交流電気エネルギーを高周波運動エネルギーに変換するコンバータによって高周波で振動を引き起こしてもよい。振動の振幅を増大するために、コンバータとホーンとの間にブースターを設置してもよい。コンバータで生成される振動の周波数は、１５〜４０ヘルツのオーダーであってもよい。高周波振動は、結合箇所（図３Ｂで“ｘ”で示す）を側部２０２ａ及び２０２ｂの表面の間に形成する起因となる側部２０２ａと２０２ｂとの間の界面に摩擦を形成する。連続継ぎ目２０３は、ホーンの長さに対して実質的に直交する方向（すなわち、継ぎ目の続く方向）において、ホーンと固定部との間の領域を介して重なり領域２０６を提供することによって形成する。
【００１８】
本発明の一実施形態では、膜２０１の側部２０２ａと２０２ｂとは重なってらせん状継ぎ目を形成する（図３参照）。このような実施形態では、らせん状の寸法は、連続するリング２０７ａと２０７ｂとの間の垂直距離が約６インチになるように選択してもよい。また、膜２０１の側部２０２ａと２０２ｂとは、連続垂直継ぎ目又は他の好都合な形状の継ぎ目を形成するようにが重なってもよい。膜は、円筒形状心棒（マンドレル）のまわりにプレキャスト（予め成形された）連続シートを配置することによって環状形状に形成してもよい。心棒は、最終的に管状の膜の所望の内径に実質的に等しい外径を有する。また、プレキャスト連続シートが、内径がほぼ所望の膜アセンブリ形状の外径に等しい型枠内に成形されてもよい。溶接された膜２０１は、外側フレーム１０６内でかつ内側ガイド１０８の外側に配置してもよい。外側フレーム１０６及び内側ガイド１０８はいずれもチューブから押し出されたポリプロピレンから成ってもよい。内側ガイド１０８の外径と外側フレーム１０６の内径とは、各部が圧入されるように選択されてもよい。また、内側ガイド１０８及び外側フレーム１０６の径は干渉しないように選択してもよく、膜２０１と内側ガイド１０８と外側フレーム１０６とは、最上端キャップ１０４と底端キャップ１０５とによって互いに適所になるように固定されてもよい。
【００１９】
これまでの記載は本発明の好適な実施形態についてのものであるが、本発明の精神を逸脱しない範囲で多くの変更が可能であることは当業者には容易にわかるはずである。添付のクレームは、そのような変更が本発明の精神及び範囲内に入るようにカバーしていることが意図されている。従って、ここで開示した実施形態は例示目的のためであり、何ら限定を意図したものではない。本発明の範囲は以上の記載ではなく、添付のクレームによって定められるものである。クレームと均等な意味内容及び範囲内のいかなる変更もその中に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電着コーティング装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による管状膜アセンブリを示す図である。
【図２Ａ】図２の管状膜アセンブリの壁の断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による所望の膜アセンブリ形状に形成される前の膜ストリップを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による所望の膜アセンブリ形状に形成される前の膜シートを示す図である。
【符号の説明】
１　膜アセンブリ
２　アノード
３　カソード
５　水溶液
６　可溶性堆積材料
７　堆積材料
８　可溶化剤
９　膜アセンブリ
１１　アノード液供給管
１２　アノード液戻り
１０１　膜アセンブリ壁
１０２　アノード液戻り
１０３　アノード液供給管
１０４　頂部キャップ
１０５　底部キャップ
１０６　外側フレーム
１０７　膜
１０８　内部ガイド
１０９ａ，１０９ｂ　穴
２０１　膜
２０２ａ、２０２ｂ　側部
２０３　らせん状の継ぎ目
２０４　前縁
２０５　後縁
２０６　重なり領域
２０７ａ、２０７ｂ　リング
【国際公開パンフレット】
2004507618.tif 000002
2004507618.tif 000003
2004507618.tif 000004
2004507618.tif 000005
2004507618.tif 000006
2004507618.tif 000007
2004507618.tif 000008
2004507618.tif 000009
2004507618.tif 000010
2004507618.tif 000011
2004507618.tif 000012
2004507618.tif 000013
2004507618.tif 000014
2004507618.tif 000015
2004507618.tif 000016
2004507618.tif 000017
2004507618.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507618.tif 000019
【国際調査報告】
2004507618.tif 000020
2004507618.tif 000021