ФОРСУНКА РАСПЫЛИТЕЛЯ
SPRAYER NOZZLE

2
Изобретение относится к пистолету-распылителю для распыления краски (лака или эмали) под давлением распыляемого воздуха 0,06 МПа или менее, и более конкретно к пневматическому пистолету-распылителю низкого давления, имеющему улучшенный механизм распыления, используемый в пневматическом распылительном пистолете для окрашивания больших поверхностей площадью не менее 4 м. При этом форсунка работает без предварительного смешивания жидкости (краски, лака или эмали) и сжатого воздуха и способна создавать равномерное покрытие.
Пневматические пистолеты без смешивания широко используются в области общепромышленных лакокрасочных покрытий.
Они также определены как «пистолеты-распылители». Пневматический пистолет-распылитель без предварительного смешивания предназначен для подачи сжатого воздуха из кольцевой щели, образованной между соплом для краски и воздушной головкой, и вокруг сопла для жидкости (краски) со скоростью, превышающей скорость звука или с дозвуковой скоростью.
Сверхзвуковые скорости могут быть получены при давлении воздуха для распыления от 0,24 до 0,34 МПа, и таким образом распылять краску на большие поверхности объекта, тем самым образуя лакокрасочное покрытие в кратчайшие сроки. Однако этот способ нанесения лакокрасочного покрытия применяется редко, поскольку сильно распыленная краска легко переносится по воздуху или разбрызгивается, а избыточное распыление вызывает большую потерю краски. Из-за этого также возможно загрязнение окружающей среды краской, распыляемой по воздуху.
Чтобы приспособиться к такой тенденции, до сих пор предлагались различные меры.
Соответственно, большое внимание было сосредоточено на пистолете-распылителе низкого давления, использующем давление распыляемого воздуха, ограниченное менее 0,06 МПа, для минимизации распыляемой по воздуху краски и обеспечения улучшенной эффективности нанесения краски на поверхность объекта.
Пистолеты низкого давления включают несколько типов, основанных на разных принципах.
Один из принципов - ограничить давление воздуха для распыления до уровня ниже стандартной атмосферы, чтобы частицы краски не попали в воздух или не рассеялись. Однако с этим пистолетом-распылителем ограниченное давление воздуха для распыления приведет к снижению скорости воздуха, в результате чего распыление краски, основанное на разнице в скорости между потоками газа и жидкости, будет чрезвычайно плохим. Чтобы компенсировать недостаточность распыления краски, был предложен распылитель низкого давления, в котором ширина воздушной щели, образованной между соплом для краски и воздушной головкой, увеличена для распыления краски с соответствующим увеличенным количеством воздуха. Механизм этого пистолета-распылителя низкого давления в основном такой же, как у обычных пистолетов-распылителей высокого давления. А именно, прорезь для воздушной струи, образованная вокруг сопла для краски, сделана шире, чтобы обеспечивать большее количество воздушной струи даже при низком давлении.
Плохое распыление краски из-за пониженного давления воздуха для распыления влечет за собой некоторые проблемы, которые нельзя решить простым увеличением количества воздуха.
А именно, в качестве таких проблем было указано, что, когда количество потока краски увеличивается, центральная часть потока краски не будет в достаточной степени смешивать поток воздуха, что приводит к неполному смешиванию, так что краска течет внутрь. Центр рисунка распыления не может быть достаточно распылен, что, вероятно, имеет место с краской, имеющей немного более высокую вязкость, и, таким образом, крупные частицы краски будут летать вокруг рисунка распыления, когда ширина эллиптического рисунка распыления регулируется. То есть уменьшение давления воздуха для распыления приведет к неравномерному распылению краски.
Для решения вышеупомянутых проблем заявитель настоящего изобретения предложил сформировать множество V-образных канавок для воздуха на кончике сопла для краски, как раскрыто в заявке на патент Японии №7-25907 (не прошедшая экспертизу публикация японского патента №8-196950).
Однако этот метод оказался практически неудовлетворительным и требует решения некоторых проблем.
В соответствии с изобретением, раскрытым в вышеупомянутой заявке на патент Японии, сжатый воздух будет течь в поток краски, все еще находящийся в сопле для краски, тем самым повышая эффективность распыления краски. Однако, поскольку краска и потоки воздуха будут преждевременно смешиваться в сопле для краски или непосредственно перед кончиком сопла для краски, распыление краски будет ограничено, что приведет к снижению эффективности нанесения лакокрасочного покрытия. То есть, когда поток краски из выпускной части сопла для краски подается под давлением, количество распыляемой краски будет зависеть от давления, приложенного к потоку краски, независимо от давления и количества струи сжатого воздуха, подаваемой из упомянутой выше кольцевой щели. Однако в распылительном пистолете гравитационного или всасывающего типа распыление краски зависит от ее смешения со сжатым воздухом, подаваемым из кольцевой щели. Условие подачи сжатого воздуха в порт подачи краски не только серьезно влияет на распыление, но и также на расход краски, то есть на эффективность нанесения покрытия и оптимизацию самого краскопульта.
Известна форсунка по патенту США №4546923, МПК В05В 1/28, 15.10.1985 г., прототип.
Эта форсунке распылителя, содержащей корпус, форсунку для жидкости и сопло для воздуха с внешней конической поверхностью, прикрепленное к корпусу, воздушный колпак, прикрепленный гайкой к корпусу сопла для воздуха, имеющий внутреннюю коническую поверхность, состыкованную с внешней, канал подвода воздуха с канавками для закручивания воздуха на внешней конической поверхности, образованными между закручивающими лопатками, и выходную кольцевую щель, образованную между центральным отверстием воздушной крышки и соплом для жидкости, канавки для закручивания воздуха выполнены перед выпускной кольцевой щелью на внешней конической поверхности сопла переменной высоты и ширины с их уменьшением по потоку воздуха и под углом к ней и к радиальной плоскости.
Недостатки:
- малый корневой угол факела распыла и ширина распыла и как следствие, низкая производительность,
- плохое распыление краски при низком давлении и предотвращения появления крупных частиц в частях распыляемой краски и неравномерного распыления краски
- образование неоднородного рисунка распыления, подтеки или недокрас из-за притяжения краски подаваемой воздушной струей,
- частицы распыляемой краски легко прилипают к поверхности воздушной головки в зависимости от положения, в котором смешанный поток рассеивается, поверхность воздушной головки необходимо периодически очищать,
- повреждение сопла для жидкости и воздушной головки при длительной эксплуатации.
Задачи создания изобретения: повышение производительности распылителя и стабильности его работы при длительной эксплуатации.
Достигнутые технические результаты: повышение производительности распылителя и стабильности его работы при длительной эксплуатации.
Решение указанных задач достигнуто в форсунке распылителя, содержащей корпус, форсунку для жидкости и сопло для воздуха с внешней конической поверхностью, прикрепленное к корпусу, воздушный колпак, прикрепленный гайкой к корпусу сопла для воздуха, имеющий внутреннюю коническую поверхность, состыкованную с внешней, канал подвода воздуха с канавками для закручивания воздуха на внешней конической поверхности, образованными между закручивающими лопатками, и выходную кольцевую щель, образованную между центральным отверстием воздушной крышки и соплом для жидкости, канавки для закручивания воздуха выполнены перед выпускной кольцевой щелью на внешней конической поверхности сопла переменной высоты и ширины с их уменьшением по потоку воздуха и под углом к ней и к радиальной плоскости, отличающаяся тем, что закручивающие лопатки установлены под углом к радиальной плоскости, проходящей через ось форсунки:
1
β=30…60°
и под углом к внешней конической поверхности:
2
β=30…60°, где:
1
β - угол наклона закручивающих лопаток к радиальной плоскости, проходящей через ось форсунки,
2
β - угол наклона закручивающих лопаток к внешней конической поверхности, Высота закручивающих лопаток от входа к выходу может уменьшаться из соотношения:
Н/h=2,0…3,0,где:
Н - высота закручивающих лопаток на входе,
h - высота закручивающих лопаток на выходе,
Ширина канавок для закручивания от входа к выходу может уменьшаться из соотношения:
вх
вых
а/а=2,0…3,0,
вх
где: а - ширина канавки для закручивания на входе,
вых
а - ширина канавки для закручивания на выходе,
Ширина закручивающих лопаток может уменьшаться от входа к выходу из соотношения:
вх
вых
В/В=1,5…2,0, где:
вх
В - ширина закручивающих лопаток на входе,
вых
В - ширина закручивающих лопаток на выходе,
Сопло для воздуха может содержать центральный цилиндрический участок с выходными канавками для закручивания воздуха, являющимися продолжением канавок для закручивания воздуха.
Угол конусности внешней поверхности колпака аз может выполнен из условия:
3
α=135…140°,
3
α - угол конусности внешней поверхности колпака.
Торец форсунки для жидкости и торец сопла могут быть выполнены заподлицо. Ширина центрального цилиндрического участка может быть выполнена из соотношения:
2
δ=(0,9…1,1) h,
2
где δ - ширина центрального цилиндрического участка,
h - высота закручивающих лопаток на выходе.
Угол конусности внешней поверхности сопла может быть выполнен в диапазоне:
1
α - 110…120 °.
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1…24, где:
на фиг. 1 показана форсунка, в разрезе,
на фиг. 2 вид А,
на фиг. 3 приведен вид В, увеличено,
на фиг. 4 разрез С - С на фиг. 6,
на фиг. 5 поперечное сечение,
на фиг. 6 вид сверху на фиг. 5,
на фиг. 7 разрез D - D, на фиг. 4,
на фиг. 8 разрез Е-Е, на фиг. 6,
на фиг. 9 вид А, на фиг. 1,
на фиг. 10 приведен внешний вид форсунки распылителя сверху,
на фиг. 11 приведен внешний вид форсунки распылителя в сборе,
на фиг. 12 приведен внешний вид форсунки распылителя снизу,
на фиг. 13 приведен вид N на фиг. 14, увеличено,
на фиг. 14 приведен воздушный колпак, выполненный заодно с гайкой в разрезе,
на фиг. 15 приведен воздушный колпак, вид К,
на фиг. 16 приведен вид К на фиг. 14,
на фиг. 17 приведен фрагмент закручивающей лопатки,
на фиг. 18 приведена закручивающая лопатка,
на фиг.19 приведены закручивающие лопатки, более детально,
на фиг. 20 приведен разрез F-F на фиг. 17,
на фиг. 21 приведен разрез G-G на фиг. 18,
на фиг. 22 приведен разрез Н-Н на фиг. 20,
на фиг. 23 приведен треугольник скоростей воздуха на выходе из форсунки,
на фиг. 24 - схема факела распыла.
Условные обозначения, принятые в описании:
форсунка для жидкости 1,
сопло для воздуха 2,
внешняя коническая поверхность 3,
воздушный колпак 4,
внутренняя коническая поверхность 5,
гайка 6,
канал подвода жидкости 7,
корпус 8,
коллектор подвода воздуха 9,
отверстия для воздуха 10,
канавки для закручивания 11,
закручивающая лопатка 12,
выходная кольцевая щель 13,
центральное отверстие колпачка14,
кромка закручивающей лопатки на входе 15,
кромка закручивающей лопатки на выходе 16,
выпускная кромка воздуха 17,
выпускной конец кольцевой щели 18,
торец сопла 19,
торец форсунки жидкости 20,
внешняя поверхность колпака 21.
1
α - угол конусности внешней поверхности сопла,
2
α - угол конусности внутренней поверхности колпачка,
3
α - угол конусности внешней поверхности колпака,
1
β - угол наклона закручивающих лопаток к радиальной плоскости, проходящей через ось форсунки,
2
β - угол наклона закручивающих лопаток к внешней конической поверхности,
вх
а - ширина канавки для закручивания на входе,
вых
а - ширина канавки для закручивания на выходе,
вх
в - ширина закручивающих лопаток на входе,
вых
в - ширина закручивающих лопаток на выходе,
γ - корневой угол факела распыла,
т
В - теоретическая ширина факела распыла,
ф
В - фактическая ширина факела распыла,
ф
Н - высота факела распыла,
d - диаметр форсунки жидкости,
D - внешний диаметр форсунки жидкости,
Do - диаметр отверстия воздушного колпака,
H - высота закручивающих лопаток на входе,
h - высота закручивающих лопаток на выходе,
0
С - скорость истечения воздуха,
а
С - осевая составляющая скорости истечения воздуха,
u
С - окружная составляющая скорости истечения воздуха,
зв
С - скорость звука,
Μ - число Маха,
0
d - диаметр отверстий,
0
S - площадь поперечного сечения всех отверстий,
1
δ - ширина торца сопла,
2
δ - ширина центрального цилиндрического участка,
r - радиус скругления выходной кромки кольцевой щели,
«в» - воздух,
«ж» - жидкость.
1
2
2
Форсунка распылителя (фиг. 1…24) содержит форсунку для жидкости 1, в виде центрального отверстия и концентрично ему выполненное сопло для воздуха 2, которое выполнено на внешней конической поверхности 3 с углом конусности внешней поверхности сопла α и воздушный колпак 4, с углом конусности внутренней поверхности колпака α и поджатый внутренней конической поверхностью 5 к соплу для воздуха 2 гайкой 6 без зазора. Гайка 6 выполнена заодно с воздушным колпаком 4 (фиг. 13…15). На воздушном колпаке 4, как упомянуто ранее, выполнена внутренняя коническая поверхность 5 с углом конусности внутренней поверхности колпачка α.
1
2
При этом необходимо выполнение условия: α=α для обеспечения закрутки всего потока воздуха.
Канал подвода жидкости 7 выполнен внутри корпуса 8 вдоль оси форсунки OO (фиг. 1, 3 и 4).
0
Коллектор подвода воздуха 9 выполнен в форме тора (фиг. 1 и 3) и отверстиями для воздуха 10 соединен с канавками для закручивания воздуха 11, образованными между закручивающими лопатками 12 и далее воздух выходит в выходную кольцевую щель 13 (фиг. 17). Количество отверстий для воздуха 10 соответствует количеству канавок для закручивания 11 воздуха (фиг. 6). Диаметр отверстий d для воздуха 10 и их количество выбирают таким образом, чтобы получить площадь поперечного сечения всех отверстий, обеспечивающую скорость течения воздуха в них в диапазоне 30…50 м/с. Это необходимо для минимизации потерь в поводящих воздух каналах.
0
Форсунка распылителя должна обеспечить скорость истечения воздуха С, близкую к скорости звука, т.е. Μ=0,9…0,95.
Для этого необходимо уменьшение сечения канавок для закручивания воздуха в 6…10 раз. Это достигнуто одновременным применением нескольких приемов.
Повышение скорости истечения воздуха в первую очередь достигнуто уменьшением высоты закручивающихся лопаток 12 от входа к выходу (фиг. 17 и фиг. 18) из соотношения:
H/h=2, 0…3,0,
где: Η - высота закручивающих лопаток 12 на входе,
h - высота закручивающих лопаток12 на выходе.
На фиг. 18 приведен фрагмент закручивающей лопатки 12, а на фиг. 19 приведены закручивающие лопатки 12 более детально.
1
2
Кроме того, закручивающие лопатки 12 установлены под углами β и β (фиг. 20…22):
1
β - угол наклона закручивающих лопаток 12 к радиальной плоскости, проходящей через ось форсунки OO,
2
β - угол наклона закручивающих лопаток 12 к внешней конической поверхности.
Оптимальные значения этих углов:
1
2
β= β=30…60°.
Эти углы обеспечивают двухкратное увеличение окружной составляющей скорости истечения Сu (фиг. 23).
В третьих, канавки для закручивания 11 имеют ширину (фиг. 22), уменьшающуюся к выходу потока:
вх
вых
а=(2…3)а. где:
вх
а - ширина канавок для закручивания на входе,
вых
а - ширина канавок для закручивания на выходе.
Канавки для закручивания 11 могут иметь в поперечном сечении или прямоугольную форму, или форму трапеции. Все размеры канавок 11 указаны для основания.
Ширина закручивающих лопаток 12 (фиг. 22) также может уменьшаться от входа к выходу в пропорции:
вх
вых
в=(1,5…2,0)в, где:
вых
в - ширина закручивающих лопаток 12 на выходе,
вх
в - ширина закручивающих лопаток 12 на входе.
Торец форсунки жидкости 20 и торец сопла 19 (фиг. 18) выполнены заподлицо, т.е. в одном сечении перпендикулярном оси форсунки ОО. Это предотвратит деформацию форсунки для жидкости, засорение выпускного конца кольцевой щели 18 при длительной эксплуатации форсунки в составе пистолета и уменьшит потери краски.
u
Таким образом, выполнение эффективной геометрии канавок для закручивания воздуха 11 и закручивающих лопаток 12 (фиг. 20…22) увеличит окружную составляющую воздушного потока С (фиг. 23) и увеличит корневой угол факела распыла γ (фиг. 24). При этом равномерность распыла жидкости сохранится, что подтверждено экспериментально.
0
зв
Скорость истечения воздуха С из форсунки (фиг. 23) не будет превышать скорости звука С, это уменьшит образование тумана из краски и уменьшит ее перерасход.
Скорость звука воздуха при температуре окружающей среды 20°С составляет 343 м/с.
0
Площадь поперечного сечения S всех отверстий 10 подбирается так, чтобы скорость течения воздуха в них была 30…50 м/с. При этом потери давления воздуха в поводящих магистралях будут незначительные.
В этом случае производительность форсунки будет максимальной, а образование тумана из краски - минимальное.
Изготовлено и испытано значительное число опытных образцов форсунок.
ф
т
На фиг. 24 приведена схема факела распыла. При этом фактическая ширина факела распыла В меньше теоретической - В:
ф
т
В=(0,8…0,9)В.
ф
Оптимальная высота факела распыла для окрашивания больших поверхностей Н=0,8…1,2 м. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 1.
т
2
Из таблицы 1 следует что при угле γ=45…120° обеспечивается теоретическая ширина факела распыла Β в диапазоне от 0,8 до 1,2 м, что необходимо для быстрого окрашивания поверхностей площадью более 4 м. Применение форсунок с возможностью создания факела распыла более 0,8 м нецелесообразно из-за рассеивания краски в окружающую среду.
Выбор оптимального по рассеиванию краски корневого угла факела распыла γ приведен в таблице 2.
Вывод по табл. 2. Оптимальный по потере краски из за ее рассеивания корневой угол факела распыла γ=45…60°. Этот угол обеспечивается геометрией форсунки, в том числе закручивающих лопаток.
При этом ширина торца сопла 19 (фиг. 13) выбирается из диапазона:
1
δ=0,8…1,2 мм,
1
где: δ ширина торца сопла 19.
u
Это обеспечит большую величину окружной составляющей С (фиг. 23), необходимую для эжектирования жидкости и ее смешения с воздухом.
Ширина центрального цилиндрического участка может быть выполнена из соотношения:
2
δ=(0,9…1,1)h,
2
где δ - ширина центрального цилиндрического участка,
h - высота закручивающей лопатки на выходе.
В этом случае потери при повороте потока минимальны.
Радиус скругления выходной кромки кольцевой щели r (фиг. 19), из условия минимизации аэродинамических потерь следует выполнить из условия:
r=(0,5…1,0)h
r - радиус скругления выходной кромки кольцевой щели,
h - высота закручивающей лопатки на выходе.
Работа форсунки
При работе к форсунке, входящей в состав пистолета, подключают воздушный шланг (не показаны) и трубопровод подвода жидкости или краски (не показан).
Включают подачу жидкости и воздуха. Воздух «в» (фиг. 1) из отверстий для воздуха 10 подается в канавки для закручивания воздуха 11, где разгоняется и эффективно закручивается до околозвуковых скоростей за счет их геометрии (сужения и углов наклона канавок для закручивания воздуха 11).
Закрученный воздух «в» проходит через выходную кольцевую щель 13 и захватывает жидкость «ж», вытекающую из форсунки жидкости 1 (фиг. 1).
Вследствие применения указанной геометрии канавок для закрутки воздуха 11 и закручивающих лопаток 12 на выходе форсунки получается оптимальная конфигурация треугольника скоростей воздуха, как это показано на фиг. 23.
Хороший распыл смеси краски и воздуха и большой корневой угол факела распыла γ обеспечивают одновременно высокую производительность и незначительные потери краски.
Применение изобретения позволило:
- обеспечить эффективную по производительности работу и равномерность распылила при работе распылительного пистолета под давлением менее 0,06 Мпа,
- предотвратить распространение тумана краски в окружающую среду,
- упростить конструкцию окрашивающего пистолета, так как форсунка содержит всего две детали,
- уменьшить шум при работе распылителя за счет его работы на околозвуковых скоростях,
- распылять краску с повышенной эффективностью и с оптимальным корневым углом распыла γ от 45 до 60°.
Следовательно, пистолет-распылитель, оборудованный форсункой в соответствии с настоящим изобретением, может преодолеть такие недостатки, как рассеивание тумана и потеря краски из-за чрезмерного распыления с помощью воздушного распылителя без предварительного смешивания, что внесет большой вклад в улучшение окружающей среды и предотвращение загрязнения воздуха.