专利名称：带有动态负载线控制的电源的喷射枪装置的制作方法
广义地，本发明涉及用于静电喷射枪的高压电源。狭义地，本发明涉及一种能够在对变化着的负载条件作出响应时动态地并有选择性地改变其工作状态的电源。
静电喷射枪在多种应用中用来把液体和粉末涂层喷射到各种运动着的或静止的物体和元件上。通常，涂层是原子化的，并从具有高压电极的喷射枪端部以雾状发射出来。该电极产生一个电场和一个离子束流，被喷射的粒子从中穿过，原子化的涂层粒子在通过该含有丰富离子的电场时因离子轰击而带有静电电荷(静电充电)。然后，带有静电的涂层粒子被导向通常电接地的被喷射物体，这样，从喷射枪端部发射出来的带电粒子将被物体所吸引，从而提供了较好的粘着力和涂层材料对物体的覆盖。本文所用的“喷射枪”一词包括任何的静电喷射装置，不论它是否是手持式的，也不论它是否做成枪的形状。
许多手持式静电喷射枪都使用一个内部高压电源来对电极充电。这些喷射枪有一个低电压的输入，例如直流12至30V，该低电压输入被枪内部的电源提升到对电极充电所需的程度，通常为50kV或更高。低电压输入可以使枪的输入电源线比较细和比较柔软，从而更易于操作，这是因为没有必要对电源线采取高压绝缘措施。内部电源中有一个电压倍增部分或电压倍增电路，它把供电电源的低电压增高到足以对喷射粒子进行静电充电的电压。一般，倍增电路按照一条特征功率负载线来工作，该负载线将(a)输送到电极上的输出或负载电流，也即用来对喷射粒子充电的电流量(以μA为单位)与(b)充电电极上的输出电压相联系。
喷射枪倍增电路的特征功率负载线决定了输送给喷射粒子的电荷量和分布，从而控制了被喷射物体涂层的质量。典型地，枪倍增电路的特征功率负载线的特性是，当输送给喷射粒子的负载电流增大，充电电极和参考地之间的外部阻抗减小时，输出的电极电压将减小。负载线确定了输出电压减小随负载电流增大的变化率。当接地的被喷射物体向喷射枪电极的端部移近时，例如当物体沿着一条生产线移近枪电极，或者当喷射枪(及其电极)实际上被移近物体以对其上的凹陷部分或空腔部分进行喷射时，负载电流将趋于增大，从而电极电压将下降。不论负载条件如何变化，负载电流和输出电压一般都要在喷射应用过程中有起伏变化，从而影响粒子的带电量和喷射涂层的质量。因此，尽管在喷射应用过程中的某个时期内，喷射枪可以工作在功率负载线的最佳区间内，然而在同一喷射应用的其他时间内，喷射枪就会因为负载情况的变动而工作在非最佳状态。例如，在某一给定的负载电流下相应的输出电压可能适合于某个特定的喷射条件；但是，一旦喷射枪移近被喷射物体，使负载电流增大，则降低了的输出电压可能不再适合于对喷射粒子进行适当的充电。
一般，给喷射枪和倍增电路的输入电压大小决定了喷射枪的工作功率负载线。目前能获得的喷射枪的一个问题是，它们使用了具有基本固定的输入电压和工作负载线。也就是说，它们的负载线对喷射应用中的某些负载条件是合适的，但是，对喷射应用中负载条件发生变化后的其他负载情况是不合适的。因此，对于某一特定的喷射应用，喷射枪的使用者被迫选取具有这样一条负载线的电源倍增电路，希望这条负载线能够适合于在应用过程中可能遇到的大多数负载条件，而如果条件发生变化，导致负载明显偏离所选大小时，只好凑合地在非最佳条件下工作。
对于这个在不同负载电流条件下出现不同输出电压的问题，已有人提出过一种解决办法，即无论负载电流大小如何变化，保持输出电压不变。然而，至少有两个理由表明这不是一个令人满意的解决方法。第一，一旦负载发生变化，恒定的输出电压对某一特定的喷射应用可能不是最佳的工作电压。第二，当在静电喷射枪中使用高压电极和电路时，存在着枪喷嘴处发生电弧打火的固有危险。如果存在可燃性喷射材料时发生电弧，结果可能出现点火燃烧。产生电弧的临界点取决于向电极提供的能量，而后者又取决于输出容量E=1/2CV2。通常。电源设计得使其负载线安全地低于点火点，从而当电流增加时，电压将降低一个预定的量，使得能量大小保持在一个安全的数值上。然而，如果令输出电压保持恒定，则在和可燃性喷射材料配合使用时，可达到的放电能量可能会增大到有危险的程度。
当前已有的，带有具有恒定负载线的电源和倍增电路的喷射枪的另一个缺点是，为了对付不同的喷射应用，常常需要有多个喷射枪电源。例如，对于某个喷射应用，也许只要一个有特定工作负载线的电源就足够了，但对于另外的应用也许就不够，例如，当枪喷嘴必须移近被喷射元件以对其中的凹陷部分进行喷涂时就可能不够。由于这个原因，需要有多种喷射应用情况的使用者要被迫购买多个喷射枪电源。对于配有电源或有内部电源的喷射枪，这可能是一个沉重的经济负担。
除了变化的负载条件会引起低涂层质量和低粘着力的问题，以及很可能发生电弧放电和点燃喷射材料的问题之外，还可能出现其他的问题。例如，非常低的负载电流及其导致的高电极输出电压将增大喷射枪电源的电元件，特别是电压倍增级及其相关电路的元件的负担。在典型情形中，向充电电极提供高电压的电压倍增电路及其相关电路是被具有预定厚度的绝缘介质材料所包围的，该厚度的设计使得高压电路能与地电位相绝缘。如果厚度不够厚，则当绝缘材料受到倍增电路中十分高的电压的作用时，可能发生电击穿并开始导电。因此，绝缘材料必须有一个特定的最小厚度，以承受电源中的高电压和避免材料的电击穿，这个绝缘介质的最小厚度叫做“隔离距离”。隔离距离由倍增电路中可能出现的最高电压来决定。
当出现负载电流为零微安或被称作为“无负载”的情况时，就达到了最高倍增器输出电压和相关的最高电极电压。对于一种特定的倍增器，“无负载”情况可能对应着高于120kV，甚至很可能高于150kV的输出电压。因此，包围电源的高压部分的绝缘材料必须有一个足以承受在“无负载”条件下的最高电压的最小厚度尺寸或隔离距离，由此，隔离距离由“无负载”电压的大小决定。对于绝缘材料必须承受的每400V电压，其典型的可靠隔离距离大约是1密耳(一英寸的千分之一)。对于150kV的“无负载”输出电压，这大约对应于0.375英寸的隔离距离。在电源的倍增电路和其他高压电路周围有这么大量的绝缘材料，将使喷射枪变得笨重和庞大。然而，为了使电源的性能可靠，必须保持有这样的最小隔离距离，否则在喷射操作时绝缘层可能被击穿，导致电源失灵。
本发明的一个目的是提供一种供静电喷射枪使用的电源，它能不管操作中出现的负载变动，例如高压电极与被喷涂物体之间距离的变动，而提供最佳的或接近最佳的粒子充电，该电源还能降低为了保证在“无负载”条件下安全工作，高压电路元件对绝缘的要求。
本发明的另一个目的是，提供一种喷射枪电源，它能够免除在对付不同喷射应用时购买几个喷射枪和/或高压电源的必要性。
本发明的再一个目的是，提供一种喷射枪电源，它能够减小“无负载”电压，从而减小绝缘材料所需的隔离距离，进而提供一种较轻便、较小型和更可靠的喷射枪。
本发明通过提供一种用于静电喷射枪的改良型电源来达到上述这些目的，该改良型电源能够适应于负载电流条件的起伏变化，动态地修正电源中倍增电路的工作负载线，以便不论负载电流如何变化，都能保持喷射枪的最佳工作条件。本发明的电源是这样来完成上述功能的利用一个连接得能够接收一个反馈信号的负载线控制电路，该反馈信号反映了倍增电路输出处的负载条件。反馈信号由连接在输入变压器次级线圈上的反馈传感器网络产生，后者又连接到电源倍增电路的输入端，所以反馈传感器网络与倍增电路有耦合。在电压倍增器输入端所产生的反馈信号标志着倍增器输出端的电流负载条件。控制电路在对含有负载条件信息的反馈信号作出反应时，调节电源倍增电路的输入电压大小，使得在不同负载电流条件下倍增电路得以按修正后的负载线工作。
在一个实施例中，控制电路通过一个接口从使用者那里获得外部指令，该指令说明负载条件点或电压提升点，在这些点处电源应该进入一条修正的负载线工作，该指令还说明特定的输入电压提升百分比或电压提升值，据此能够进入上述所需的修正负载线。负载条件点对应着由反馈信号所反映的特定负载条件，例如喷射枪喷嘴处的输出电压大小或负载电流大小，在这些负载条件点上希望电源转变为按另外的工作负载线来工作。在另一个实施例中，控制电路含有一个存储区，其中存储了一组或多组预先编程的负载条件点或电压提升点以及对应于提供升点的输入电压提升值，用来改变倍增器输入电压的大小。例如，每一组提升点可以对应于一个特定的喷射应用或一种特定的喷射材料。于是，使用者通过接口选择特定的喷射应用或喷射材料。于是，使用者通过接口选择特定的喷射应用或喷射材料，而控制电路则自动地选择一组适当的负载条件提升点和相应的输入电压提升值，它们对于动态地修正负载线从而使喷射枪对所选的喷射应用处于最佳工作状态是必须的。在这两个实施例中，都是在负载条件通过反馈信号表明负载线已经达到某个特定的负载条件提升点时，控制电路就会改变对倍增电路的输入电压大小，以修正负载线。因此，尽管变化着的应用条件会造成变化的负载电流，本发明的电源能自动地进行调整，以连续地优化高压输出，改善喷射质量和喷射枪性能。
在本发明的另一个方面，改进型喷射枪电源含有一个限压电路，它能在负载电流降低到低于某一预定值时，使充电电极上的输出电压稳定。如前所述，对于一个典型的倍增电路，负载线决定了输出电压是如何随负载电流的减小而增大的。其后果之一是，在低电流值或“无负载”条件下，倍增器可能会产生一个大约两倍喷射枪正常工作所需的电压。在这样的高电压下，倍增电路和相关高压电路中的电元件将承受高负载，并且包围倍增电路的绝缘体厚度需要大于必要的厚度，以防止电源的电击穿和短路。本发明的限压电路能够在例如“无负载”输出条件下当负载电压试图超过某一预定最大电压时，使输出电压保持在或者低于该预定的最大电压。限压电路监视连接在倍增电路输出上的一个分压网络上的电压，该电压正比于倍增器的输出电压。当该输出电压升高到超过某一预定值时，限压电路就给控制电路提供一个输入，令它改变倍增电路的输入电压，使得输出电压被保持在低于预定最大电压的大小上。这样，隔离距离或包围高压电路的绝缘层的最小厚度就可以减小，从而减小了喷射枪的大小和重量。此外，对绝缘体和高压电路的高压强度的减小，改善了电源的总体可靠性。再有，由于该电源不会达到它的正常“无负载”峰值电压，喷射枪最终将较为安全，因为较低的最高电压可以较快地下降到安全点，从而防止了电弧放电和可能的喷射材料燃烧。输出电压的预定限制点是设定得高于喷射枪对某个特定应用正常工作所需的最高电压的，因此，尽管本发明有电压限制作用这样的方面，但是其电源仍具有类似于那些带有较高“无负载”电压的电源那样的静电充电能力。
本发明的这些目的以及其他目的将通过下面结合附图对优选实施例所作的详细说明变得更为清楚。
图1是本发明的动态负载线控制电源的电路方框图。
图2是在不同的倍增器输入电压下静电喷射枪倍增电路的工作负载线图。
图3是根据本发明所产生的一条工作负载线的图。
图4A是普通静电喷射枪电源的一条工作负载线的图。
图4B是本发明电源的限压工作负载线图。
图5是一个使用本发明的动态负载线控制电源的静电喷射涂层系统。
图1的电路图示出了本发明的动态负载线控制电源5。电压输入电路10向输入振荡器11提供输入电压VIN，振荡器11通过变压器13与电压倍增电路12相耦合。电压倍增器12产生输出电压VOUT和输出负载电流IOUT。反馈线14耦合到变压器13的次级线圈13a的“公共”端，后者通过电阻14a与地电位相连。电流IF正比于电压倍增器12输出端处的负载电流IOUT。因此，电阻14a两端的反馈信号电压VF正比于负载电流IOUT。反馈线14把正比于输出电流的反馈信号VF输送到控制电路16。控制电路16对VF作出响应，通过线17改变输入电压VIN的大小，从而根据起伏变化的输出负载条件修改了倍增器电路12的工作负载线。
来自输入电路10的输入电压VIN典型地可以在直流12V至30V的范围内变化，它被输入到振荡器11和升压变压器13，后者用作倍增电路12的输入级，并把输入电压提升到倍增电路输入能够接受的大小。电压倍增器使输入电压倍增成高电压输出VOUT，后者的范围通常为60-100kv。倍增电路12的输出电压VOUT通过线20加到充电电极22。电压倍增电路12可以在几个形式中任取一个，但本发明的一个优选实施例使用了Cockcroft-Walton型的倍增电路，它带有一系列的电容器和二极管级(图中未画出)，以对某一特定的喷射应用产生高输出电压VOUT。对电极22充电的高电压出现在静电喷射枪顶端21附近，在那里该电压产生电场和电晕24。当喷射材料26(它可以是液体或粉末)的原子化粒子穿过场24时，它们自身就获得了静电荷。带电的粒子26被喷向或传向电接地的物体28，当带电粒子接近物体28时，它们被吸引向该物体。喷射粒子26的带电造成了接地物体28上的均匀涂层。粒子的原子化可以用任一种已知的方法达到，由于这不是本发明的组成部分，这里不再详述。
电源5的电压倍增电路12按照通常所说的功率负线来工作，该负载线确定了倍增电路12的输出电流或负载电流IOUT与输出电压VOUT之间的关系。典型的情况是，输出电压VOUT与负载电流IOUT之间存在着下降关系。亦即，当负载电流IOUT增加时，输出电压VOUT减小(见图2)。因此，倍增电路12的工作负载线决定了输出电压VOUT随负载电流增大而下降的变化率。在电源5的工作过程中，当喷射枪顶端21和充电电极22被移近接地的被喷射物体28时，例如当有必要喷射物体28中的凹陷或空穴部分时，通常会造成负载电流IOUT的增大。
对输入振荡器11和升压变压器13以及倍增电路12的输入电压VIN决定了倍增电路工作时的负载线。目前可获得的喷射枪电源具有恒定的输入电压VIN，其大小的选择原则是，使在特定的喷射应用中使用的静电喷射枪能够得到一条最佳的工作负载线。对于目前可获得的电源负载线，从而输出电压VOUT与负载电流IOUT之间的关系，是根据这样一些参量来选择的，例如被喷射材料的类型，它是粉末还是液体，被喷射物体28的形状，以及枪喷嘴21和充电电极22与物体28之间需要接近的程度等。利用这些参量，可购买到的喷射枪的输入电压VIN可以预先设定，使得倍增电路12产生一条有希望能够在一个特定的喷射应用中获得所要求涂层质量的恒定负载线。
可以理解，恒定的负载线可能适合于某些喷射应用情形，但不适合于其它情形，例如负载条件变化的情形。此外，对于各种不同的喷射应用，常常需要购买一些不同的静电喷射枪和/或电源，因为一个喷射枪的特征负载线和电源工作条件是对某种特定的喷射应用设定的，对于明显不同的喷射应用它们是不合适的。本发明解决现有静电喷射枪的这些问题的途径是，对单次应用中遇到的变动输出条件作出响应，控制高压喷射枪电源5的倍增电路12的工作负载线。这样，电源5的工作对一个特定的喷射应用得到优化。而且，本发明使得一个带有电源5的喷射枪能够用于大量不同的喷射应用，因为本发明的负载线能自动地对使用中遇到的各种应用实现优化。这样，为了对付大量的各种喷射应用，本发明排除了购买多个喷射枪/或电源的必要性。
现在参见图2，那里画出了倍增电路12在各种输入电压下的多条典型倍增器工作负载线。如前所述，电源5的工作负载线，以及更特殊地，倍增电路12的负载线决定了电极22处的输出电压VOUT与用来向喷射束流中的粒子26进行静电充电的负载电流IOUT之间的关系。上面已经提及，典型倍增电路12的负载线由输向倍增电路12的输入电压VIN决定。在图2中画出了几条典型的倍增器负载线，较低的负载线40对应于直流21V的输入电压，而较高的负载线对应于直流30V的输入电压。在这两个较高限和较低限之间的那些负载线，即负载线42、44和46分别对应于直流23V、25V和28V的输入电压。可以看出，图2中示出的负载线40、42、44、46和48并不是全部负载线，一般地，对于每一个输入电压值VIN都有一条特定的负载线与它相对应。图2中的负载线说明，当输入到倍增电路12的输入电压VIN增大时，工作负载线一般向图的上方移动。
本发明对枪喷嘴21处的变动负载条件作出响应，修改倍增电路12的负载线，因此，也修改了喷射枪电源5的负载线，因为倍增电路12的负载线一般决定了电源5的工作条件。本发明修改负载线的目的是，对特定的负载条件和负载电流IOUT，使充电电极处的输出电压VOUT达到最佳。在一个优选实施例中，负载线的修改是通过改变由电压输入电路10提供的输入电压VIN来完成的。用于带有内部电压电源和倍增电路12的喷射枪的电压输入电路10一般可以简单地只含有一条连接在外部直流电源以便向线18提供低直流电压VIN的功率线。然而，除了电压输入电路10之外，喷射枪电源通常还含有一个振荡器11和一个升压变压器13，以便将来自电压输入电路10的电压VIN提升到适合于作为倍增电路12输入的电压大小。
再次参见图2，从原点出发画出的各条直线与负载线相交，以表明倍增电路12在各种负载条件下的各个工作点。各条负载线40、42、44、46和48与垂直轴相交在它们各自的特定“无负载”点(IOUT=0μA)上，在每个这种点上，电极22处的输出电压VOUT达到那条特定负载线的最大值。相反地，在负载线40、42、44、46和48与水平轴相交的地点，对应着短路情形(VOUT=0kv)，其时工作负载电流IOUT达到它的最大值。沿着负载线位在“无负载”点和“短路”点之间的每一组标出的点(由直线标出)对应着从4千兆欧(Gigohm)负载下降到200兆欧负载的各种负载条件。在图2可以看出，当负载阻抗减小时，负载电流IOUT将增大，从而充电电极22处的输出电压VOUT减小。
本发明的工作过程最好通过一个例子来说明。参见图2，对于特定的喷射应用和喷射粉末，如果负载电流IOUT是50μA，则根据经验，喷射枪工作的最佳电极充电电压VOUT可能是70kv左右，如点A所示。为了达到这个最佳工作点A，希望使喷射枪的电源5按负载线44工作，该负载线对应于倍增电路12的直流25V的输入电压。然而如果在喷射应用过程中负载电流增大到了125μA，例如当接地物体28向枪喷嘴21和电极22移近使负载阻抗下降时，这时由经验确定的所希望的输出电压可能为62kv左右，如图2中点B所示。点B对应于负载线48，而后者要求直流30V的输入电压VIN。根据本发明的工作过程，当反馈信号VF表明负载电流已经从50μA增加到了125μA时，控制电路16就修正倍增电路12的工作点，使它从点A平滑地移动到点B，即VIN逐渐从直流25V增加到直流30V。如果没有本发明所提供的负载线修正，输出电流IOUT将沿着负载线44增大到125μA，使得输出电压VOUT从70kv下降到40kv左右，这对在该特定喷射应用中要使喷射粒子26充分充电来说可能是不能接受的。
本发明的电源5在下述意义上是灵活的，它在负载条件有变化的单次喷射应用中能够适应可能发生的负载条件变化。还有，它可以用来构成同一个喷射枪，后者可以适应于几个不同的、有明显不同负载的应用。过去，因为可购买到的喷射枪的电源基本上按单一的一条固定负载线工作，所以不同的喷射应用即可能需要几个不同的喷射枪和/或电源。对用于负载条件有变化的喷射枪的工作负载线进行修改将不再需要多个喷射枪和/或电源，而在过去后者在多种应用情况下是必须的，根据本发明的含有电源5的喷射枪可以对付广阔范围内的各种应用情况，而这些情况通常可能需要几个不同的带有固定功率负载线的喷射枪和/或电源。
再次参阅图1，电压输入级10起初通过线18向电压倍增电路12提供一个输入电压VIN，然后倍增电路12输出电流IOUT和高输出电压VOUT，喷射枪开始按照对应于选定的VIN大小的一条负载线工作。输出电压VOUT通过线20上的保护电阻31加到充电电极21上，对充电电极21充电，并产生一个电场及一个相关的电晕24。喷射材料的粒子26被引导得通过电场及其电晕24，或离子束，结果通过与电晕中的离子化粒子发生离子撞击，喷射粒子26获得了静电电荷。然后粒子流向接地物体28运动，在那里粒子流被相反的电极性所吸引，淀积在物体28上，形成所需的相应的涂层。只要由VOUT和IOUT所标志的输出负载条件适合于所选择的喷射应用和喷射材料，电源5将继续照起初的负载线工作。对于所选喷射应用的喷射条件的一个变化范围，一般存在着一个由经验确定的，适合于这些喷射条件的输出电压和负载电流组合的范围。当负载条件偏离到这个合适的输出范围之外时，例如当负载电流IOUT增大时，负载线就被本发明所修改，使得喷射枪重新工作在合适的输出范围之内。
本发明的负载线修改是由反馈线14经过线17向连接在电压输入电路10上的控制电路16提供一个反馈信号VF来开始的。线14上的反馈信号VF正比于为了对喷射粒子26进行静电充电而从充电电极22引出的负载电流IOUT的大小。根据反馈信号VF的大小，控制电路16改变输入电压VIN，以平滑地修改倍增电路12的负载线，使得喷射枪工作在对特定的喷射应用和负载电流IOUT来说是最佳的电极电压VOUT上。控制电路16通过线17与电压输入电路10相耦合，后者可以是一个可变电压源。在对负载条件的变化作出响应时，控制电路16命令输入电路10在线18上提供一个能够产生所需负载线的输入电压VIN。本发明即以这种方式连续不断地监视喷射枪的输出，以保证对变化的负载条件有最佳的工作状态。
只要线14上的反馈电压VF能够传送控制电路16为修改负载线所需要的负载条件信息，该反馈电压VF可由各种方式获得。例如，在图1所示的本发明实施例中，在升压变压器13次级线圈的公共线13a和地之间连接了一个电阻14a。通过电阻14a的电流IF正比于输出负载电流IOUT。从而反馈电压信号VF也正比于电流IOUT。因此，线20上IOUT的任何增大都将被电阻14a两端的反馈信号电压VF所反映出来。反馈线14与电阻14a在点19处连接，因此输入到控制电路16的反馈信号正比于负载电流IOUT。不偏离本发明范畴的，能使反馈信号正比于变化的负载条件，例如变化的负载电流IOUT或者变化负载电压VOUT的其他反馈方案也可以使用。如前所述，线14上的反馈电压VF被输入到控制电路16，后者调节电压输入电路10的输出大小，使之提供一个能修改电压倍增电路12的工作负载线的电压VIN。通过动态地修正倍增电路12的工作负载线，喷射枪可以保持所需的性能，从而喷射粒子可以带有适当的附着电荷。
在静电喷射枪组件的正常工作中，存在着某些改变负载情形的物理条件。例如，当枪-物距离减小时，负载电流IOUT就增大。为了保证在负载电流变化的情形下粒子有最佳的充电，根据经验已经确定，对某一特定的输出负载电流值IOUT，输出电压VOUT必须是某个特定的值。已经发现，如果电压倍增器按照单一的一条固定负载线工作，对于给定的输出负载电流IOUT的变化，不可能得到希望的输出电压VOUT的变化。因此本发明根据输出条件的变化动态地修改负载线。
为了达到这一目的，控制电路16可以有各种实施方案来获得所需的负载线修改。一般地说，对于各种喷射应用和负载条件，输出电压和负载电流的组合以及相应的负载线是凭经验或其他方法来预先确定的，这样可以对特定的负载条件选择出能产生适合的喷射枪工作状态的输入电压VIN。
在本发明的一个实施例中，控制电路16是一个含有内部或外部存储器29的微处理器。微处理器16能够对所有表明负载条件的输入，即反馈信号VF，作出响应；也能对表明希望进行负载线修正的负载条件提升点的来自外部装置的输入作出响应。在对这些输入作出响应时，控制电路16在线17上输出一个信号，以控制电压输入电路10改变输入电压VIN。再次参照图1，微处理器16通过线27与使用者接口25相连。使用者接口可以是一个键盘(未画出)，也可以是某个其他输入装置。使用者在开始使用时输入对某一特定喷射应用的各个负载条件提升点，同时输入与每个负载条件提升点相关的输入电压提升值。该提升值给微处理器16规定了电压增加的最大量，为了在某个负载提升点处能转移到所需的负载线上，输入电压VIN必须改变这个最大量。提升点的数目和特定应用中必要的负载线修改频度将取决于具体的喷射应用以及在该应用中遇到的各种负载条件。
参见图3，那里示出了一个使用几个不同负载条件提升点的例子。图3画出了一个倍增电路的四条典型负载线50、52、54和56。工作过程开始于使用者通过接口25输入一组负载条件提升点及其相应的输入电压提升值。例如输入了提升点X、Y和Z以及它们相应的输入电压提升值。在本发明的这个实施例中，因为用于显示输出大小何时已经达到了提升点的反馈信号VF是正比于负载电流IOUT的，这里的负载条件提升点是以μA为单位的。不过，在另一个实施例中，为了与本发明所采用的反馈方案类型相匹配，也可以使用其他的单位。
负载条件提升点X、Y和Z通过使用者接口25被输入到微处理器16，并存储在存储器29中，以供后面使用。与负载条件提升点同时输入并存储的还有最大值或提升值，它们分别对应于每一个提升点，这些值是输入电压VIN应该增加或减小的量，以便修正负载线达到所需的喷射枪工作状态。亦即，与每个提升点相关连的是一个特定的输入电压提升值，它能够控制输入电压应如何变化来修正负载线。输入电压提升值可以用百分比变化来表示，例如与某个提升点相关连的提升值为增加输入电压VIN的50%。类似地，如果为了达到最佳的喷射枪工作状态，在某一提升点处需要降低输入电压，则提升值也可以是负的。
为了进一步说明提升点和提升值之间的关系，假定使用者对一个选定的提升点输入了50%的提升值。当反馈信号表明负载电流IOUT已经达到提升点时，输入电压将开始逐渐增大，并且继续不断地增大，直到输出电流达到下一个提升点，或者直到达到了VIN的最大值。当输出电流IOUT达到下一个提升点或者当VIN达到最大值时，输入电压VIN的值将比从提升点开始增大之前的值大50%。因此，提升值是对某一特定提升点的VIN最大增加量。VIN在两个提升点之间逐渐增大的速率取决于提升值。例如，在已经达到第一个提升点时，随着输出电流IOUT向着下一个提升点靠近，输入电压VIN将逐渐地增大。在下一个提升点处，VIN应该已经增大了其最大增加值，或者增大了其在第一个提升点的提升值。这个最大值由百分比提升量决定。因此，如果提升值是50%，则第二个提升点处的VIN值将比第一个提升点处的VIN值大50%。从一个提升点到另一个提升点这个增大(如果提升值是负的，则可能是减小)是连续的，并且取决于相应的提升值，修改后的负载线51，53和55将会有不同的斜率。在相继到达每个提升点时，VIN值将根据与该提升点相应的提升值连续地增大，或者如果提升值是一个百分比下降时也可以是连续地减小。如果提升值是0%，那末输入与该输入电压相对应的典型特征负载线连续地工作。微处理器16就以这种方式来利用提升点和提升值去控制电压输入电路10，指挥它改变VIN值，修正倍增电路12的工作状态。
参阅图3来说明一个更特殊的情况，假定喷射枪电源5从负载线50出发开始工作，当负载电流IOUT达到由点X标明的提升点时，处理器16根据预定的和预先输入的与提升点X相应的提升值，逐渐地增加输入电压VIN。这样，当输出电流IOUT增大到超过提升点X时，输入电压VIN将逐渐增大，使喷射枪按照在倍增器负载线50和52之间伸展的修正的负载线51工作。如前所述，IOUT的增大被反馈信号VF的变化反映。如果负载电流IOUT继续增大到与提升点Y相应的值，则VIN的增大值将达到与提升点X相应的最大提升百分比。在提升点Y处，存在着与该点相应的提升百分比。如果点Y的提升百分比为0%，则倍增电路12将按照负载线52工作，这是因为该负载线是对应于上述输入电压VIN的典型特征负载线。然而，如果给提升点Y设定了某一特定的正提升值，则由于在IOUT增大到超过提升点Y时，VIN又会有额外的逐渐增大，倍增电路12将按负载线53工作。VIN的增大将持续到IOUT达到提升点Z的时候，在那里VIN值将达到与点Y的提升百分比相应的最大值。如果在喷射应用中负载电流继续进一步增大，例如如果接地物体28向枪喷嘴21移近，则IOUT可能达到并超过提升点Z。如果再次假定与提升点Z相应的提升值是0%，则倍增电路将在IOUT超出点Z后按特征负载线54工作。然而，点Z处不为零的提升值将使得倍增电路按负载线55工作。从图3可以看到，当IOUT值增大到超过点Z时，倍增器按修正的负载线55工作，然后按典型负载线56工作。这是因为与点Z相应的提升值将把VIN值提高到一个最大值，输入电路10不能超过这个最大值。在这个预定的最大值处，不论VIN值是否已经达到与点Z相应的提升值，VIN都将停止增大，从而倍增电路12将按负载线56工作。这样，对于某一特定的喷射应用，喷射枪电源可能会按照虚线57工作。这样得到的倍增电路12的工作负载线57的斜率比典型的电源倍增电路的标准工作负载线50，52，54和56的斜率小。当工作负载线比较平时，亦即即使输出电流有所增加但喷射枪端部的电压只有小量变动时，就说该电源有一条硬负载线。本发明所得到的这样一种硬负载线正是喷射枪工作时所希望有的特性。
在负载条件提升点X，Y和Z之间的负载电流值也可以看作负载电流区I1，I2，I3和I4(见图3)。每当负载电流IOUT的值落在某个特定的电流区之内时，倍增电路12就按与该区相应的修正负载线工作。例如，如果IOUT值位在电流区I1中，倍增电路12将按典型负载线50工作。然而，如果IOUT值增大到超过提升点X，进入电流区I2时，倍增电路12将按修正的负载线51工作。类似地，如果负载电流位在电流区I3和I4内，将分别得到修正的负载线53和55。并不是在所有情形下负载线都会连续地改变，实际上通常希望负载线根本不改变。也就是说，如果可能的话，希望使电源5保持在某个单一的电流区，例如I2内工作，并且按照单一的修正的负载线，例如51，或者按照一条典型的、未修正的负载线52工作。然而，情况并不总是这样，因此，本发明适应于负载电流条件的变动，产生修改的负载线。
通过以这种方法改变负载线，本发明达到了喷射枪在具有变动输出负载条件的喷射应用中的最佳工作状态。另外，如果已经确定在某个应用中输出负载条件没有很明显的变化，那末可以通过使用者接口25预置一个能产生在整个喷射过程中都合适的单一负载线的VIN。因此，本发明能够适用于各种喷射应用，不论是希望具有动态改变负载线的功能，还是希望只需要选择一条能用于整个喷射应用过程的单一负载线就足够了。这样，本发明就免除了为适应各种喷射应用而购买多个不同的喷射枪和/或电源的必要性。
虽然上面所讨论的例子对某个喷射应用使用了一组提升点，然而在本发明的另外的实施例中，使用了微处理器16的存储区29，在那里存储了许多组预定的提升点以及多组与它们相应的提升值，当输出负载条件达到这些存储的提升点时，就会产生所需的修改的负载线。每一组提升点可以对应于某个特定的喷射应用，或者甚至对应于一种特定的被喷射物体形状。这样，使用者通过接口25输入所需的喷射应用，微处理器电路16就会对该喷射应用自动地选择一组适当的提升点和相应的提升值，以便根据负载电流IOUT来修改负载线。
类似地，存储器29也可以存有许多组电流区，倍增电路12将按这些区来工作。例如，再次参见图3，微处理器16可能在存储器中存有多组电流区，例如电流区组I1，I2，I3和I4，它通过与电流区组相应的提升值组去控制修改倍增电路的负载线。每当负载电流IOUT从一个电流区转变到相邻的电流区时，新的提升值将控制微处理器电路16，以通过输入电路10来改变输入电压VIN，产生一条新的负载线。因此，使用者可以通过接口25输入电流区来代替输入提升点，或者在微处理器存储器29中存储电流区而不是提升点，以控制倍增电路12的负载线改变。其他类型的微处理器操作方案也可以在不偏离本发明范畴的情形下实现。类似地，也可以使用不同于微处理器电路16的其他控制电路来控制本发明的负载线修改。
当枪喷嘴21处的负载电阻或阻抗减小到接近于“短路”条件时，例如当被喷射物体28移近枪喷嘴21时，从图2可以看出输出电流IOUT增大得比较快。在这种高电流或低负载阻抗条件下，存在着当物体28移近枪喷嘴21时或者当枪喷嘴21移近物体28时，从电极22向接地物体28发生电弧放电的可能性。这不仅存在着对任何接近枪喷嘴21的人造成电击的危险，而且如果被喷射的粉末或材料26是可燃的，还可以发生点燃和随后的火焰。尽管本发明所得到的动态负载线改变可以用来使电源5工作在安全的输出电流范围之内，例如规定当IOUT超过某一特定的极限提升点提升值为负值，仍然可能采取另外的安全措施来防止打弧。为此，如图1所示，本发明使用了一个保护电阻31使得负载线低于某个监界工作范围。
在本发明的另一方面，倍增电路12的输出通过线61耦合到一个限压电路60，使当负载电流IOUT减小到接近于“无负载”点或IOUT=0μA点时，把输出电压VOUT保持在一个预定的电压以下。从图2可以看出，当负载电流降低到0μA时，输出电压VOUT开始快速地上升。在典型情形中，倍增电路12，导电通道20和其他向充电电极22供电的高压电路都被一层绝缘介质材料(未画出)所包围。绝缘介质使电源的高压区和喷射枪接地底板或其他有地电位的邻近电源有电隔离，一旦这两部分发生接触，就会使电源失灵。
参见图4A，静电喷射枪的电源5一般有一条从“无负载”点或开路点延伸到最大负载点或“短路”点的负载线62，在“无负载”点上，将出现输出电压VOUT的最大值。然而，喷射枪为给出恰当的带电喷射涂层所必须的输出电压VOUT和负载电流IOUT的典型工作范围是位在负载线比较靠中间的部分的，在那里输出电压明显地低于“无负载”点处的最大输出电压。如果包围倍增电路12和电源5的其他高压部分的绝缘体不是足够的厚，则当负载电流IOUT下降到低水平，同时输出电压开始向其最大的“无负载”电压爬升时，绝缘材料可能被电击穿。亦即它的绝缘性能和阻止电流通过的性能可能下降，而开始变得导电。一旦发生这种情况，电源5的输出便可能与附近的地电位相通或者对地电位打弧，于是电源，特别是倍增电路12可能失灵。
为了对付这样的高电压而不至被电击穿和变得导电所必须的最大绝缘层厚度叫做“隔离距离”。因为绝缘材料必须能够对付电源中的这个最大输出电压，“隔离距离”是按照“无负载”点设计的，在该点处倍增电路12有最高的VOUT大小。因此，由于倍增电路12的正常工作范围有时是大为低于“无负载”点的，于是一般包围高压电路12和20的绝缘材料要比喷射枪电源5的正常工作范围所需的程度多了许多。其结果是，由于需要多余的绝缘材料来承受“无负载”点处的高输出电压，现有带有内部电源的喷射枪总是过分地笨重和庞大。
本发明利用限压电路60，在负载电流IOUT向“无负载”点或0μA点下降时监视输出电压VOUT。限压电路60通过由电阻63和64组成的分压器与倍增电路12的输出端相连。已经确定分压器的点65处的电压信号是倍增电路12输出电压VOUT的一个标志。当分压器网络中的点65表明负载电压VOUT增大到超过了其一预定的最大值时，限压电路60将通过线66向微处理器16输送一个信号。控制电路改变输入电压VIN的大小，以使输出电压VOUT保持在远低于其在输出电流IOUT较低时会出现的正常“无负载”电压的数值上。如图4B，当负载电流IOUT下降到由L标志的点，同时输出电压VOUT达到例如80kv时，限压电路60开始借助控制电路16通过改变输入电压VIN来把倍增电路12的输出电压保持在远低于其典型的“无负载”高电压的数值上。限制点L最好位在低于喷射枪标准工作范围低电流端的负载电流位置处。这样，当喷射枪工作在其标准输出范围内时，倍增电路12的正常工作负载线得以保持，必要的功率得以传送到带电粒子26上。因为输出电压VOUT被限制得停留在远低于电源的“无负载”点的电压上，现在的最大VOUT由点L确定，例如它可以是80kv，而不是100kv，所以利用本发明的限压电路可以减小隔离高压电路所必需的隔离距离。
对于每400v必须承受的电压，典型的可靠隔离距离大约要求千分之一英寸(1密耳)的固体绝缘材料。根据图4B，本发明的限压电路60限制输出电压VOUT不超过约80kv。通常，在图4A中的“无负载”点处，输出电压VOUT可能接近100kv。假定隔离距离要求每400v/密耳的固体材料，则限压电路60使得电源5可以减少约0.050英寸的隔离距离而仍能可靠而安全地工作，因此可以用较少的绝缘材料来包围高压电路。而绝缘材料数量的减少又造成了比电源允许在低电流负载时输出特有的高输出电压的正常情形较轻、较小和更为可靠的电源5。此外，当电源5被限压电路60限制在远小于“无负载”电压的输出电压VOUT时，电极22发生电弧放电的可能性就要减小，这是因为已经知道最高电压在电源5的工作过程中不会超过点L处的电压，所以电极22上的电压可以远为迅速地下降到安全的程度。
可以看到，本发明的电源可以用在典型的静电喷射涂层系统，如图5所示。静电喷射装置，例如静电喷射枪70用来对部件72喷射涂层材料74。喷射枪70的电极76可以用象本发明的电源5那样的内部电源(IPS)78(用虚线框示出)供电。或者，喷射枪70也可以用通过高压电缆82与之相连的外部电源80供电。外部电源80最好是使用本发明的改进型电源5。图5涂层系统中还含有一个供料器84，它通过例如管道86与喷射枪相连，以供应准备喷涂到物体72上的喷射材料。喷射材料既可以是粉末或液体，也可以是任何其他可以通过枪70来喷射的适当材料。再有，如果涂层系统利用空气把材料74传送到物体72上，该系统还可以使用一个带有适当管道90的空气供给器88。为了加强喷射材料74对所选物体的粘着性，涂层系统常常利用接地装置92使物体72接地。
虽然已经通过对一个优选实施例的描述来说明了本发明，并在一定强度上详细地描述了优选实施例，但申请人的本意并不是想把所附的权利要求范围局限在或者以任何方式限制在这些细节上。对于那些熟悉该技术的人而言，另外的优点和修改是显而易见的。例如，控制电路16可以采用各种形式来提供不同的负载线控制方法。再有，控制电路16可以修改得能够通过使用者接口25接受各种不同的输入，例如对一个特定的喷射应用或需喷射的各种不同的部件，选择一种负载线改变方案。此外，可以不偏离本发明的范畴来实现利用反馈去控制一个控制电路的其他方法。因此，从本发明的更广泛的方面来说，本发明不局限于特定的细节、有代表性的设备和方法以及所示和所描述的说明性例子。从而，有可能作出偏离这些细节但不偏离申请者的广义发明概念的精神或范畴的变动。
权利要求
1.一种用于静电喷射装置的电源，包括用于提供输入电压的电压输入装置；与所述电压输入装置相连接的、用来在对所述输入电压作出响应时产生一个输出的电压控制装置，该输出包含一个输出电压和一个输出负载电流；以及与所述电压控制装置相连接的，用来在电源工作过程中动态地控制电压控制装置的输出以把输出电压和输出负载电流两者都保持在一个预先选定的工作范围内的控制装置。
2.权利要求1的电源，其中控制装置能够动态地响应于静电喷射装置输出处的变化的负载条件，以保持所希望的喷射装置工作状态。
3.权利要求2的电源，进一步包括连接在电压控制装置和控制装置之间的反馈装置，用来提供一个正比于电源输出处的变化负载条件的反馈信号，控制装置对反馈信号作出响应，动态地控制电源的输出。
4.权利要求1的电源，进一步包括连接在控制装置上的使用者接口装置，用来向控制装置输入至少一个外部指令，控制装置响应于外部指令，把输出电压和输出负载电流保持在预先选定的工作范围内。
5.权利要求4的电源，其中控制装置包含存储装置，用来存储至少一个来自使用者的外部指令，控制装置响应于所存储的外部指令。
6.权利要求1的电源，进一步包括连接在控制装置和电压控制装置之间的限压装置，用来监视输出电压大小和提供一个限制信号，控制装置响应于限制信号，把输出电压和输出负载电流保持在预先选定的工作范围内。
7.一种用来把涂层材料施加到物体上的涂层系统，包括一个带有用来把涂层材料喷射到物体上的电极的静电喷射装置；向喷射装置供应涂层材料使得涂层材料能从喷射装置喷射出去的装置；一个连接在电极上的电源，用来对电极充电，使得它在涂层材料从喷射装置喷射出去时能对涂层材料进行静电充电，该电源包括用来提供输入电压的电压输入装置；与所述电压输入装置相连接的电压控制装置，用来在对所述输入电压作出响应时产生一个输出，该输出包含输出电压和输出负载电流；以及与所述电压控制装置相连接的控制装置，用来动态地控制电压控制装置的输出，以在电源工作过程中把输出电压和输出负载电流两者都保持在预先选定的工作范围内。
8.权利要求7的涂层系统，其中输出电压的大小作为输出负载电流大小的函数发生变化，电压控制装置有一条可选择性地变化的工作负载线，该负载线决定了输出电压大小和输出负载电流大小之间的关系，控制装置通过监视输出电压和输出负载电流两者中的一个而选择电压控制装置的工作负载线，来动态地控制电压控制装置的输出。
9.权利要求8的涂层系统，其中选择装置包含与所述电压控制装置相连接的反馈装置，用来监视所述输出电压和输出负载电流两者中的一个并提供正比于所述输出电压和输出负载电流两者中的一个的反馈信号；以及能响应于所述反馈装置并与所述电压控制装置有电耦合的控制装置，用来在响应所述反馈信号时选择所述电压控制装置的工作负载线。
10.动态地响应于静电喷射装置输出端的变化负载条件，以保持所希望的喷射装置工作状态的一种方法，包括a)提供一个输入电压；b)用倍增电路把所述输入电压倍增，以产生喷射装置的输出，该输出包含一个输出电压和一个输出负载电流；c)用控制装置动态地控制电压控制装置的输出，以在电源工作过程中把输出电压和输出负载电流两者都保持在预先选定的工作范围内。
全文摘要
用于静电喷射枪装置的电源，它能适应于倍增电路的输出负载的变化并动态地修改倍增电路的工作负载线。其使用一负载线控制电路，该电路响应于来自反馈电路的反馈信号改变对倍增电路的输入电压，以响应负载条件修改电源的负载线。电源的控制装置含有存储外部指令的存储装置及输入外部指令的使用者接口。该电源还包括一连接在倍增电路输出端的限压电路，它可以调整倍增电路的输出电压，从而减小高压强度，相应减少绝缘材料。
文档编号B05B5/10GK1102142SQ94103970
公开日1995年5月3日 申请日期1994年4月8日 优先权日1993年4月8日
发明者杰弗里·A·珀金斯, 杰拉尔德·W·克拉姆, 约翰·A·亨德里克斯, 杰弗里·E·戴利达斯 申请人:诺德森公司