BR102015014147A2 - aparelho de eletroerosão para gerar jatos de água potentes de baixa frequência e de cavitação - Google Patents

Abstract

aparelho de eletroerosão para gerar jatos de água potentes de baixa frequência e de cavitação. um aparelho de eletroerosão possui um bocal que inclui uma câmara de descarga que tem uma entrada para receber a água e uma saída. o aparelho tem um primeiro eletrodo que se estende para dentro da câmara de descarga que está ligada eletricamente a um ou mais capacitores de alta tensão. um segundo eletrodo está próximo do primeiro eletrodo para definir um intervalo entre os primeiro e segundo eletrodos. um interruptor faz com que o um ou mais capacitores descarreguem através do intervalo entre os eletrodos para criar uma bolha de plasma que se expande para formar uma onda de choque que se escapa à frente do bocal da bolha de plasma.

Description

"APARELHO DE ELETROEROSÃO PARA GERAR JATOS DE ÁGUA POTENTES DE BAIXA FREQUÊNCIA E DE CAVITAÇÃO" CAMPO TÉCNICO

[1] A presente invenção refere-se genericamente a uma descarga elétrica em água e, em particular, a técnicas de jateamento de plasma.

Antecedentes da Invenção [2] A tecnologia de jato de água de alta pressão é uma das tecnologias mais avançadas do mundo. As aplicações de jatos de água de alta pressão contínua variam de operações rotineiras como limpeza bruta de edifícios para fabricação altamente sofisticada de produtos de alta precisão. No entanto, para muitas aplicações industriais, tais como a limpeza de recipientes reatores petroquímicos e mineiração de rochas duras, a tecnologia, no presente, sofre de graves inconvenientes. Isso ocorre porque as magnitudes de pressões e potências exigidas por jatos de água contínuos para tais aplicações são proibitivamente elevadas (> 200MPa e 250kW por jato). A noção de utilização de técnicas de jato de água (cavitação forçada ou jatos de água pulsados) para tais aplicações é relativamente nova. Por exemplo, um extenso trabalho realizado por Vijay mostrou que cavitação forçada e jatos de água pulsados podem ser muito eficazes para o corte de metais, etc. (Vijay, M.M., "Pulsed Jets: Fundamentais and Applications, Proc 5th Pacific Rim International Conference on Waterjet Technology, New Delhi, India, 1998). Da mesma forma, quando as rochas duras são previamente enfraquecidas, as taxas de corte serão maiores e os custos de operação serão menores por causa das taxas de desgaste reduzidas e avarias das ferramentas de corte.

[3] No contexto deste relatório descritivo, é feita uma distinção entre os jatos descontínuos naturais e forçados. Os conceitos de jato de água forçados são referidos como "novas técnicas de jato de água" neste relatório descritivo. Por exemplo, uma corrente de gotículas de alta velocidade ou golpe de líquido formados devido à dissolução de um jato contínuo que emerge no ar pode ser considerada como um jato pulsado natural. Embora jatos descontínuos naturais sejam simples de produzir, a sua utilidade é limitada porque não é possível controlar a intensidade e a forma dos impulsos que estão diretamente relacionadas com o seu desempenho. No caso de jatos de água de cavitação e pulsados forçados, por outro lado, é possível gerar golpes de líquido bem formados ou bolhas de cavitação, por modulação de um jato de água contínuo de alta frequência de energia ultrassônica resultando em desempenho melhorado (Patente Norte-americana N° 7,594,614 B2; Patente Norte-americana No. 8,297,540 BI e Patente Norte-americana No. 8,550,873 B2). No entanto, os jatos d'água de cavitação de alta frequência e pulsados não são eficazes na fragmentação maciça de rochas duras ou materiais do tipo rocha, incluindo explosivos, tais como os utilizados em minas terrestres. O objetivo da nova técnica por eletroerosão descrita neste pedido é para gerar jato de água pulsado de baixa frequência muito potente (da ordem de um ou mais impulsos por segundo) com uma onda de choque precursora e, subsequentemente, um jato de água em cavitação vaporosa.

[4] Teoricamente, os fenômenos hidrodinâmicos que acompanham descargas elétricas em líquidos quiescentes à pressão atmosférica são conhecidos há mais de um século. Uma eletroerosão em um líquido à pressão atmosférica é conhecida por causar a formação de uma onda de choque forte e uma bolha de plasma que pode atingir um diâmetro máximo de 10 mm em cerca de lps. A pressão dentro da bolha de plasma pode atingir 2000MPa ou mais, dependendo da energia (voltagem e corrente) de descarga. O interesse na técnica para uma variedade de aplicações deriva do fato de que estas ondas de choque e as bolhas são fontes de alta energia e o processamento de materiais é limpo e pode ser controlado com precisão (uma nítida vantagem em comparação com explosivos). Yutkin, por exemplo, realizou uma série de testes de laboratório e demonstrou a sua utilidade em uma variedade de aplicações, desde metal que forma a fragmentação de rochas, sem exploração comercial (Yutkin, LA "Eletrohydraulic Effect," Moskva 1955; Tradução Inglês porTechnical Documents Liaison Office, MCLTD, WP-AFB, Ohio, EUA, No. MCL-1207/1-2, outubro de 1961). Em pelo menos uma modalidade da presente invenção, a técnica por eletroerosão é usada para modular um fluxo de água que flui através de um bocal, isto é, um jato de água de baixa velocidade ou, em um bocal cheio de água quiescente. De acordo com Huff & McFall (Huff, CF e AL McFall, "Investigation into the Effects of an Arc Discharge on a High Velocity Liquid Jet," Sandia Laboratory Report No. 77-1135C, USA, 1977), a descarga de arco modula o fluxo ou água quiescente por três mecanismos: (1) a formação de uma onda de choque inicial, (2) jato pulsado produzido pela bolha de plasma de rápida expansão e (3) a própria bolha de plasma que, eventualmente, reverte para uma bolha de vapor de cavitação. À medida que estes três fenômenos hidrodinâmicos que acompanham a descarga ocorrem em tempos diferentes, é possível por um design cuidadoso das configurações de bocal de eletrodos, tal como descrito no presente relatório descritivo, para gerar o choque somente, o jato interrompido (produzido pela bolha de plasma de rápida expansão) somente ou, apenas o jato de água ou cavitação, todos os três fenômenos em conjunto para infligir um dano imenso em um material alvo. Os bocais mostrados na FIGURA 1 e FIGURA 2, por exemplo, são destinados a produzir apenas ondas de choque. Como a frequência de operação é geralmente baixa (= 1,0 Fiz), no modo de interrupção, a técnica funciona basicamente como um canhão de água.

[5] A geração de ondas de choque na água por eletroerosão é descrita na Patente Norte-Americana 3,364,708 (Padberg). Uma broca de terra de plasma de choque é descrita na Patente Norte-Americana 3,679,007 (0'Hare). Diversas técnicas de jateamento de plasma são descritas na Patente Norte-Americana 5,106,164 (Kitzinger et al.), Patente Norte-Americana 5,482,357 (Wint et al.), Patente Norte-Americana 6,283,555 (Arai et al.), Patente Patente Norte-Americana 6,455,808 (Chung et al.), Patente Patente Norte-Americana 6,457,778 (Chung et al.), e Patente Patente Norte-Americana 7,270,195 (MacGregor et al.). Nas patentes anteriores, uma sonda com eletrodos (por exemplo, eletrodos coaxiais) é inserida em um furo de sondagem na formação de rocha que é então cheio com água ou eletrólito.

[6] Embora o estado da técnica forneça uma descrição qualitativa dos fenômenos que acompanham a eletroerosão na água quiescente, há poucas informações no que diz respeito à descarga em um fluxo de água em movimento. Por isso, o inventor realizou o trabalho semi-teórico extenso (análise dinâmica de fluidos computacional) e experimental na técnica por eletroerosão para os bocais conceituais mostrados na FIGURA 1 e FIGURA 2. A FIGURA 3, por exemplo, mostra as pressões muito elevadas geradas pelo impacto de uma onda de choque sobre o material alvo (Vijay, et al., "Modeling of Flow Modulation following the electrical discharge in a Nozzle," Proceedings of the 10th American Waterjet Conference, August 1999). A taxa de fluxo através do bocal foi 13usgal/min a uma pressão de 5kpsi na proximidade dos eletrodos. O diâmetro do orifício (bocal) era 0,085in. A magnitude da energia elétrica entre os eletrodos despejados foi 20kJ e o impacto de choque estava em 81,2:s após a descarga. A FIGURA 4 mostra o efeito da colocação de um refletor a montante dos eletrodos (a ponta do eletrodo central (dv) na FIGURA 1 (mostrado claramente por #29 e #29a na FIGURA 11). O alvo é colocado em 5in a partir da saída do bocal. Vê-se que a um tempo (t) de cerca de 30:s, o plasma se expande enviando uma onda de choque SI para a saída do bocal, e uma onda de choque S2 em direção à entrada. A onda de choque SI deixa o injetor cerca de 50:s e forma uma onda de alta velocidade (Wl), que acelera o F1 para frente do jato constante original para F2. A frente F2 impacta sobre o alvo em 78,2:s produzindo um pico de pressão de 2,600MPa em 81,2:s, como mostrado na FIGURA 3. Onda de choque S2, por outro lado, é refletida como onda de choque S3. Esta onda de choque em que passa através do plasma surge como a onda de choque S4 e, finalmente, causa outra onda de alta velocidade W2 no jato, impactando o alvo a 104:s, criando picos de pressão, da ordem de l,700MPa. Estes resultados semi-teóricos mostram a vantagem da utilização de um refletor na configuração do bocal.

[7] Tal como ilustrado na Figura 5A, uma análise mais aprofundada da dinâmica dos fluidos computacional indicou a ocorrência de múltiplos picos na pressão de impacto. Isto é devido ao fato de que a tensão de descarga, tal como ilustrada na Figura 5B, é uma onda sinusoidal de deterioração (Yan, et al., "Application of ultra-powerful pulsed Waterjet generated by eletrodischarges/' Proceedings of the 16th International Conference on Water Jetting, France, October 2002). Assim, através do design adequado do circuito de descarga, é possível gerar múltiplas ondas de choque para impactar no alvo, aumentando o desempenho do jato de água pulsado gerado pela técnica de eletroerosão.

[8] Os fenômenos que acompanham a descarga dependem de diversas variáveis operacionais e parâmetros da configuração do conjunto de eletrodos de bocais. As variáveis de operação são a pressão na câmara, que poderia ser da ordem de 15kpsi (poderia ser qualquer tipo de pressão, embora uma faixa de 10-20kpsi proporciona bons resultados), o fluxo (determinado pelo diâmetro do orifício, d0 do orifício, tipicamente da ordem de 13usgal/min, embora um fluxo de 10-15usgai/min proporcione bons resultados), ou água quiescente (depende do volume da câmara do bocal, tipicamente da ordem de um litro), a magnitude da tensão (V) do capacitores (tipicamente da ordem dos 20 kV, mas poderia sertão elevada como 100 kV), capacitância (C) do capacitor, a energia (Ec) armazenada no capacitor (Ec = 0.5CV2). Dependendo da capacitância, a energia armazenada no banco de capacitores poderia ser tão alta como 200kJ. Embora a energia de descarga possa ser variada ou através da variação da tensão ou a capacitância, para manter o tamanho do sistema compacto, é melhor variar a tensão e a duração de descarga (θ), o qual vai depender das grandezas de L-C-R (indutância, capacitância e resistência) do circuito de descarga.

[9] Como indicado na FIGURA 1 e FIGURA 2, os parâmetros configuracionais são: a forma (contorno) da câmara do bocal para se concentrar e propagar as ondas de choque no sentido da saída do bocal, a forma (designs conceituais são ilustrados na FIGURA 7 e FIGURA 8), o diâmetro (dV), local (k) dos eletrodos a partir da saída do bocal, a abertura (l) entre os eletrodos. Por exemplo, como mostrado conceitualmente na FIGURA 7, o contorno interior do bocal poderia ser uma curva exponencial e, a fim de se obter um fluxo suave de água, o perfil exterior do eletrodo também seria exponencial, proporcionando superfícies geralmente paralelas.

[10] Tal como adicionalmente ilustrado na FIGURA 1 e FIGURA 2 e também, nas configurações conceituais mostradas na FIGURA 7 e FIGURA 8, existem várias formas diferentes, tamanho e disposição dos eletrodos no bocal. Estas figuras também mostram duas configurações possíveis dos eletrodos. Considerando que o objetivo do canal de plasma curto (FIGURA 1) é o de gerar bolhas de cavitação na corrente, que do canal longo é o de produzir uma alta velocidade de jato de água pulsada (Vijay and Makomaski, "Numerical analysis of pulsed jet formation by electric discharges in a nozzle," Proceedings of the 14th International Conference on Jetting Technology, 1998). Do ponto de vista do desempenho, os parâmetros geométricos mais importantes são (como mostrados na FIGURA 1 e FIGURA 2), as grandezas de D/do, a distância k, a distância (intervalo) entre os eletrodos l, o perfil interno do bocal e a forma e disposição dos eletrodos. Estes parâmetros geométricos também determinam os parâmetros operacionais, tais como a pressão do líquido, energia elétrica e frequência, etc. Como exemplo, os resultados do teste estão ilustrados no gráfico da FIGURA 6. Para o conjunto de dados de parâmetros operacionais listados na legenda, a velocidade do jato de água pulsado depende consideravelmente do intervalo (l) entre os eletrodos. Os dados mostram claramente que é possível aumentar a velocidade do jato por quase um fator de três, simplesmente aumentando o intervalo entre os eletrodos de 6 para 22 mm. Este método proporciona um meio simples de aumentar de forma significativa a velocidade da peneira rotativa de água sem aumentar a energia elétrica consumida. Isto é muito importante para muitas aplicações práticas, tais como neutralização de minas terrestres em que é necessário um impulso tendo uma velocidade muito alta (= lOOOm/s).

Descrição Resumida da Invenção [11] O seguinte apresenta um resumo simplificado de alguns aspectos ou modalidades da invenção, a fim de proporcionar uma compreensão básica da invenção. Este resumo não é uma visão geral ampla da invenção. Ele não é destinado a identificar elementos-chave ou críticos da invenção ou a delinear o escopo da invenção. O seu único objetivo é apresentar algumas modalidades da invenção de uma forma simplificada como um prelúdio para a descrição mais detalhada que é apresentada mais tarde.

[12] A presente invenção, tal como exemplificada pelas modalidades descritas e ilustradas no relatório descritivo e nos desenhos, é um novo aparelho de eletroerosão (ou sistema) que é capaz de criar uma bolha de plasma devido à ionização de água no interior de um bocal. Uma onda de choque poderosa é gerada como um resultado da eletroerosão em água. A onda de choque sai do bocal para fornecer uma grande pressão de impacto sobre uma superfície alvo.

[13] Um aspecto inventivo da presente invenção é um aparelho de eletroerosão que tem um bocal que inclui uma câmara de descarga que tem uma entrada para receber a água e uma saída. O aparelho tem um primeiro eletrodo que se estende para dentro da câmara de descarga que está ligada eletricamente a um ou mais capacitores de alta tensão. Um segundo eletrodo está próximo do primeiro eletrodo para definir um intervalo entre os primeiro e segundo eletrodos. Um interruptor faz com que o um ou mais capacitores descarreguem através do intervalo entre os eletrodos para criar uma bolha de plasma que se expande para formar uma onda de choque que escapa à frente do bocal da bolha de plasma.

Breve Descrição dos Desenhos [14] Outras características e vantagens da presente tecnologia serão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada, tomada em combinação com os desenhos em anexo, nos quais: [15] A FIGURA 1 é um desenho esquemático de um aparelho de eletroerosão que mostra o conjunto de um banco de capacitores com o conjunto do interruptor de descarregador, bomba de água e eletrodo do bocal com um intervalo curto entre os eletrodos;

[16] A FIGURA 2 representa o mesmo equipamento, como é mostrado na FIGURA 1, exceto com um grande intervalo entre os eletrodos;

[17] A FIGURA 3 é uma representação gráfica da pressão da onda de choque com impacto na superfície de um alvo obtido por estudo numérico (análise dinâmica de fluidos computacional);

[18] A FIGURA 4 é um gráfico que mostra o efeito de um refletor sobre a onda de choque;

[19] FIGURA 5A é um gráfico de pressões de impacto em função do tempo após a eletroerosão;

[20] A FIGURA 5B é um gráfico que mostra a tensão de decomposição como uma função do tempo após a descarga;

[21] A FIGURA 6 é um gráfico que mostra o efeito da largura do intervalo na magnitude da velocidade de impulso da água;

[22] A FIGURA 7 é um desenho esquemático mostrando o desenho da configuração do eletrodo do bocal para a produção de um canal de plasma curto;

[23] FIGURA 8 é a mesmo que a FIGURA 7, exceto que o eletrodo está disposto na direção axial para a produção de um canal de plasma longo;

[24] A FIGURA 9 é outra modalidade da configuração do eletrodo do bocal para a produção de um canal de plasma curto em um jato de água de alta velocidade;

[25] A FIGURA 10 é uma outra modalidade da configuração do eletrodo do bocal para produzir canais de plasma longos ou curtos;

[26] A FIGURA 11 é uma modalidade que mostra os detalhes do eletrodo e um refletor para refletir a onda de choque gerada pela descarga;

[27] A FIGURA 12 é ainda outra modalidade mostrando eletrodos transversais com o refletor;

[28] A FIGURA 13 é a mesma que a FIGURA 12, exceto as pontas dos eletrodos são planares e apontadas para aumentar a força do campo elétrico;

[29] A FIGURA 14 é uma modalidade que mostra como os eletrodos de solo e de alta tensão são montados como uma unidade única para deslizar para dentro e para fora do bocal;

[30] A FIGURA 15 é uma modalidade na qual a posição do refletor em relação aos eletrodos pode ser variada;

[31] A Figura 16 é ainda outra modalidade como a FIGURA 15 mostrando a possibilidade de seguir (formação de faíscas indesejada) indicada na inserção;

[32] A FIGURA 17 é uma modalidade baseada no design conceituai ilustrado na FIGURA 8.

[33] A FIGURA 18 é uma modalidade para melhorar o alinhamento do eletrodo central no bocal;

[34] A FIGURA 19 é uma modalidade de uma configuração de bocal altamente complexa para confinar a bolha de cavitação produzida pela descarga elétrica;

[35] A FIGURA 20 é uma modalidade com o eletrodo na saída do bocal, para a geração de descargas sequenciais;

[36] A FIGURA 21 é um design conceituai para aumentar o poder do impulso de água pelas ondas de choque convergentes;

[37] A FIGURA 22 é uma modalidade que pode ser colocada sobre o alvo a ser processado, por exemplo, a fragmentação das estruturas de concreto, tal como uma blindagem biológica nuclear;

[38] A FIGURA 23 é uma modalidade que tem dois eletrodos para produzir um canal de plasma curto perto do alvo;

[39] A FIGURA 24 é um desenho do acoplamento para ligar o bocal à bomba;

[40] A FIGURA 25 é ainda outra modalidade para ligar o bocal à bomba;

[41] A FIGURA 26 é uma modalidade do eletrodo de alta tensão e o adaptador para ligá-lo aos cabos do banco de capacitores;

[42] A FIGURA 27 é uma outra modalidade do eletrodo para suportar as ondas de choque de alta resistência produzidas pela descarga;

[43] A FIGURA 28 é ainda outra modalidade do eietrodo de alta tensão;

[44] A FIGURA 29 é ainda outra modalidade do eletrodo;

[45] A FIGURA 30 é ainda outra modalidade do conjunto do eletrodo;

[46] A FIGURA 31 é uma modalidade que mostra um desenho detalhado do material isolante em torno do eletrodo de alta tensão;

[47] A FIGURA 32A é um desenho que mostra a intensidade de um jato de água pulsado indicado pela deformação do disco de alumínio;

[48] A FIGURA 32B é um gráfico que mostra a altura de polo de disco deformado como uma função da energia de descarga; e [49] A FIGURA 33 é um desenho que mostra um sistema híbrido composto por um bocal de eletroerosão e o jato de água de alta frequência pulsado durante a fragmentação de rochas e materiais tipo rocha.

[50] Uma vez que a técnica de eletroerosão é bastante complexa, os componentes e as partes mostrados nas figuras não estão necessariamente desenhados à escala e são possíveis muitas variações, dependendo da magnitude da energia elétrica depositada no injetor, os parâmetros da água, isto é, em repouso ou fluxo a partir da bomba, e vários tipos de aplicações.

Descrição Detalhada da Invenção [51] Em geral, e a título de descrição, a presente invenção proporciona um aparelho e método de eletroerosão.

[52] A FIGURA 1 é um conjunto de um banco de capacitores, uma bomba de água para fornecer um fluxo de água a pressões da ordem de 15kpsi e a taxa de fluxo da ordem de 20usgal/min, um bocal para a produção de um jato de água contínuo de alta velocidade e um conjunto de eletrodos para gerar um arco na descarga rápida de energia elétrica armazenada no banco de capacitores por desencadear o descarregador. Em algumas modalidades, a invenção proporciona também uma técnica para descarregar a energia elétrica em água quiescente preenchida no injetor. Ao incorporar uma válvula de retenção, não mostrada na FIGURA 1, é possível encher o bocal após cada descarga elétrica. Quando a energia elétrica é descarregada rapidamente entre os eletrodos, a água na proximidade dos eletrodos decompõe para formar um plasma que se expande a uma velocidade muito alta formando uma onda de choque, tal como ilustrado na FIGURA 3. A onda de choque se desloca em frente da bolha de plasma e escapa a partir do bocal. A bolha de plasma em rápida expansão interrompe momentaneamente o fluxo ou perturba a água em repouso formando uma peneira rotativa ou pulso de água de alta velocidade. Conforme o plasma arrefece, ele torna-se simplesmente uma bolha de vapor de água, que é a bolha de cavitação. Um novo aspecto de algumas modalidades da invenção deriva do fato de que através de um design cuidadoso dos conjuntos de eletrodos de um bocal podem produzir cada fenômeno (ondas de choque, jato de água pulsado interrompido ou bolha de cavitação) discretamente ou uma sequência de uma após a outra. Os objetivos dos bocais descritos no presente relatório descritivo são feitos para produzir efeitos individuais ou todos os três efeitos após a descarga.

[53] As características dos fenômenos que acompanham a descarga dependem dos parâmetros elétricos do circuito do banco de capacitores, parâmetros configuracionais e a forma da câmara do bocal e os parâmetros operacionais. Como um exemplo dos parâmetros do circuito, a energia, E, armazenada no capacitor é função da capacitância, C, do banco e a voltagem, V, nomeadamente, E = YiQJ2 e para a descarga rápida da energia elétrica no bocal, a indutância do circuito deve sertão pequena quanto possível.

[54] Os parâmetros fluidos são a pressão na câmara de bocal, da ordem de 15kpsi se a bomba é usada para o fluxo, que é da ordem de 20usgal/min, ou a pressão atmosférica se água quiescente é usada, a capacidade da câmara de bocal sendo da ordem de 0,25usgal.

[55] Os parâmetros da configuração do conjunto do eletrodo do bocal estão na forma e diâmetro do eletrodo central, dV, o diâmetro da câmara, D, a distância entre os eletrodos,l, o comprimento do canal de saída do bocal, k, e o diâmetro do orifício, do, o qual é determinado pela taxa de fluxo de água. A forma da superfície interior do bocal pode ser qualquer curva suave, por exemplo, exponencial, como mostrado na FIGURA 7. O comprimento, k, depende das características desejadas dos fenômenos que acompanham a descarga e é uma função de d0, por exemplo, d0 < k < 100do.

[56] A FIGURA 2 é a mesma que a FIGURA 1, mostrando uma configuração do bocal com uma largura de intervalo maior (l) entre os eletrodos. A largura de intervalo maior (l) entre os eletrodos gera mais ondas de choque planares. A largura do intervalo mais curto (l) entre os eletrodos gera mais ondas de choque esféricas. A forma da onda de choque pode assim ser variada através da variação da largura do intervalo (l) entre os eletrodos.

[57] A FIGURA 3 é um aspecto típico da frente de choque após a rápida descarga da energia elétrica entre os eletrodos, prevista pela análise computacional dinâmica de fluidos (CFD).

[58] A FIGURA 4 mostra a vantagem de colocar um refletor a montante dos eletrodos, mais uma vez previsto pela análise de CFD.

[59] FIGURA 5A e Figura 5B mostram as magnitudes das pressões de impacto sobre o alvo, devido à voltagem variável (senoidal exponencialmente decadente) após a descarga, muitas vezes chamada de frequência de toque.

[60] A FIGURA 6 mostra, para um dado conjunto de tensão (V), a energia elétrica (E), a duração de descarga (0) e o diâmetro do orifício (d0), a influência da largura do intervalo (l) sob a velocidade do impulso (peneira rotativa) de água gerado pela descarga elétrica no bocal. É notável que é possível aumentar a velocidade do impulso de água a partir de aproximadamente 300 m/s para aproximadamente 1000 m/s, ou seja, por um fator de mais do que três, simplesmente através do aumento da largura do intervalo de 6 mm a 22 mm. Esta observação é muito importante do ponto de vista da concepção de um bocal robusto e fiável para aplicações comerciais. Por exemplo, enquanto uma velocidade de lOOOm/s pode ser adequada para neutralizar uma mina terrestre, fragmentar uma formação de rocha dura pode exigir uma velocidade da ordem de 2000m/s. Como discutido nas Seções sobre eletrodos (por exemplo, FIGURA 26), vários tipos de montagens de eletrodos de bocal podem ser necessárias para suportar as elevadas cargas de choque depois da descarga. Os dados empíricos da FIGURA 6 também mostram que a velocidade é linearmente proporcional ao intervalo.

[61] A FIGURA 7 ilustra um design conceituai para descarregar a energia elétrica entre o eletrodo central axisimétrico e o eletrodo de anel circular. A ponta do eletrodo centra! atua também como um refletor para a propulsão da onda de choque a jusante para a saída do bocal.

[62] A FIGURA 8 é outro design conceituai que tem uma seção convergente, uma garganta de área de seção transversal constante e uma seção divergente. O bocal inclui um eletrodo central isolado. Nesta configuração, conforme o bocal é fundamentado, a descarga (acendimento e formação do arco) ocorre entre a ponta do eletrodo e a superfície interna do bocal. Na configuração ilustrada, a ponta do eletrodo central está na extremidade da frente da garganta área de seção transversal constante, ou seja, no ou perto do plano da garganta onde termina e começa a porção divergente. Portanto, movendo o eletrodo central para a frente e para trás a partir da garganta do injetor, é possível variar a largura do intervalo (l). Ainda uma outra característica da presente configuração consiste em capturar a bolha de cavitação formada pela descarga e concentrá-la no alvo. A bolha é confinada no anel (fluxo anelar de água) na seção divergente do bocal.

[63] A FIGURA 9 mostra uma primeira configuração rudimentar investigada pelo inventor para observar se a descarga modularia um fluxo de água de alta pressão para produzir um jato de água pulsada (Vijay, et al., "Eletro-discharge technique for producing powerful pulsed waterjets: Potential and Problems," Proceedings of the 13th International Conference on Jetting Technology - Applications and Opportunities, October 1996). A configuração tem um canal cilíndrico longo 6 com um encaixe de alta pressão 1 na extremidade a montante para ligação a uma mangueira de alta pressão e a inserção do bocal 8 e o conjunto de eletrodo 10. As porcas de parafuso 3 e 7 são, respectivamente, usadas para conectar a mangueira de alta pressão ao canal cilíndrico e à montagem do bocal do eletrodo. Os anéis O rígidos 4 e 5 e a vedação 9 vedam a água pressurizada fluindo através do canal e na interface entre o bocal e o conjunto de eletrodos. A energia máxima elétrica descarregada a partir do banco de capacitores era da ordem de 3,5kJ, apenas suficiente para modular o fluxo de água. Observações feitas e as lições aprendidas com esta investigação bruta formam a base para as melhorias aqui descritas. Apenas para citar um exemplo, a forte radiação eletromagnética gerada pela corrente transitória alta (da ordem 50kA, dependendo da magnitude da tensão) que acompanha a descarga de alta voltagem destruiu a maioria dos dispositivos eletrônicos sensíveis na proximidade da instalação de teste (Vijay et al., citado acima), com destaque para a necessidade de proteger esses dispositivos.

[64] Como se tornará evidente a partir deste relatório descritivo, existem várias modalidades capazes de gerar uma onda de choque, um jato interrompido causado pela expansão da bolha de plasma e a bolha de cavitação que é simplesmente a bolha de plasma arrefecida. No entanto, não é possível atingir todos estes fenômenos que acompanham a descarga de uma configuração do bocal. Além disso, uma aplicação particular determina se os eletrodos são montados na direção transversal, como se mostra a título de exemplo na FIGURA 9, ou montados na direção axial, tal como ilustrado a título do exemplo na FIGURA 10.

[65] Na modalidade mostrada na FIGURA 10, o eletrodo de isolamento 11 situa-se na direção axial no corpo do bocal 18. O corpo do bocal 18 é composto por um invólucro inferior 21 e um invólucro superior curvado, hemi-esférico 13 (que pode ter uma outra forma). O corpo do bocal 18 pode ser conectado a uma bomba de alta pressão através da entrada indicada através do ângulo de 90° 26, ou preenchida com água quiescente usando uma válvula de retenção 23. Composição de água para formar uma bolha de plasma após a descarga ocorre devido ao campo elétrico de alta intensidade entre a ponta do eletrodo central de alta voltagem 11 e a ponta do anel metálico fundamentado 19. A força do campo elétrico E é determinada por V/1, onde V é a amplitude da tensão aplicada e 1 = largura do intervalo, isto é, a distância entre as pontas dos eletrodos. Dependendo da propriedade física da água, por exemplo, condutora, não condutora, etc., a intensidade do campo elétrico necessário para a quebra é da ordem de 3,4kV/mm. Ao variar a posição do eletrodo central 11 e/ou o anel metálico fundamentado 19, o campo elétrico necessário para a quebra de água pode ser obtido. No caso da água que flui, geralmente, dependendo da pressão, forma-se um sulco a jusante do eletrodo central 11. O sulco é uma bolha composta parcialmente de vapor de água, que é, na verdade, cavitação vaporosa. Neste caso, a força do campo elétrico pode ser da ordem de 1 kV/mm, como o vapor de água se decompõe muito mais facilmente para formar o plasma do que a água. Nesta modalidade, o aparelho também inclui anéis espaçadores 12 e 14 para variar a largura do intervalo (L), o tampão de metal 16 ao qual um sensor de pressão (não mostrado na figura) pode ser anexado para medir a pressão exercida pelo plasma, uma haste metálica 17 para conectar o eletrodo fundamentado para os cabos que conduzem ao capacitor, inserção do bocal 20 que têm vários orifícios de diâmetro (0.5mm < d0 < ΙΘιύίιύι), verificar o corpo de válvula 22, a porca de parafuso 24 para fixar o componente de entrada de água para o corpo do bocal 18, a porção de entrada de água 25 e o ângulo de 90° 26 para o tubo de entrada de água. O tubo de entrada está ligado a uma bomba de água por uma mangueira 26a (a qual não está representada na figura). O tubo também pode ser ligado a um frasco de água para fornecer água quiescente na câmara do bocal. Depois de cada descarga, a câmara pode ser recarregada por meio da válvula de retenção. Devido aos orifícios de pequeno diâmetro, o choque e a bolha de cavitação deterioram mais provavelmente à direita dentro do bocal.

[66] A FIGURA 11 mostra uma configuração do bocal com os eletrodos montados na direção transversal. Através do projeto adequado do conjunto de eletrodos, discutido em uma seção posterior, a largura de intervalo (l) 28 pode ser variada de lmm a quase 30 milímetros. A configuração também mostra o refletor 29, que também funciona como uma válvula de retenção parando momentaneamente o fluxo de água 33 na câmara do bocal até a próxima descarga. Os detalhes de uma modalidade específica do refletor são apresentados na 29a. Os diâmetros de orifício (d0) na inserção do bocal 30 dependerão das taxas de fluxo de água e podem variar de 0,5 milímetros a 19 milímetros. O comprimento da saída do bocal (L3) pode ser variado ligando as extensões 31 com a porca de parafuso 32. Para pequenos comprimentos, L3 = d0( e diâmetros de orifício grandes (> 6 mm), a onda de choque que emerge do eletrodo terá uma forma esférica. Conforme os comprimentos são aumentadas, a onda vai emergir como uma onda plana. Além disso, o confinamento da bolha de plasma nas seções cilíndricas das extensões gera um impulso de água poderoso.

[67] A FIGURA 12 mostra uma modalidade para modular um fluxo de água a alta velocidade, isto é, um jato de água, para aumentar a sua capacidade de corte ou de fragmentar. A água entra a partir da bomba através da entrada 33, passa através do anel 35a, indicado por setas tracejadas 33a, entre o corpo central 35 (que pode ser uma microponta de um transdutor ultrassônico accionado por um gerador ultrassônico) e o bocal de inserção 34. O corpo central, que funciona como refletor, separa o fluxo e forma um sulco (uma zona de baixa pressão) no intervalo 36 dos eletrodos. No fluxo turbulento o sulco é uma zona estagnada composta por uma mistura de gases dissolvidos, vapor de água e água em repouso. Com a rápida descarga da energia elétrica, esta mistura divide-se muito facilmente de modo a formar o plasma, que viaja na seção divergente a jusante dos eletrodos e na seção cilíndrica 34 do bocal. A dimensão do anel depende da pressão e a taxa de fluxo necessária para uma dada aplicação. Como um exemplo, se a taxa de fluxo requerida é da ordem de 15usgpm a uma pressão de 15kpsi, e para o tamanho de 0,166in da seção cilíndrica do corpo central 34, a dimensão do anel é da ordem de 0,006in. Tal como indicado na seção 10, uma vez que a largura da abertura (l) é da ordem de 2 mm, a descarga produz ondas de choque esféricas e bolhas de plasma. Na seção cilíndrica 34, as ondas de choque são transformados em ondas planas antes de colidir com o alvo. As bolhas de plasma estão confinados dentro do fluxo anelar de água, indicada pelas setas tracejadas 33b para implodir sobre o alvo e gerar pressões de impacto muito elevadas que reforcem a capacidade de fragmentação do jato de água contínuo.

[68] A FIGURA 13 mostra uma outra modalidade que é semelhante à ilustrada na FIGURA 12, exceto que a ponta do eletrodo de terra é um plano 37 e a ponta do eletrodo 37a de alta tensão é apontada como uma agulha. Esta configuração dos eletrodos concentra a intensidade do campo elétrico para quebrar a água e intensificar a resistência da onda de choque e a bolha de plasma [69] A FIGURA 14 é uma outra modalidade para a modulação de um jato de água de alta velocidade com a técnica por eletroerosão. O corpo do bocal é constituído por uma seção de entrada grande 38 para manter uma velocidade relativamente baixa de água entregue pela bomba 33, equivalente à água quiescente. O eletrodo de terra 39 e o eletrodo de alta tensão 43 estão montados como uma unidade (um conjunto de eletrodos destacáveis) de modo que ele pode ser facilmente deslizado para dentro e para fora do corpo do bocal. Além da vantagem de alinhamento fácil, a corrente induzida pela descarga rápida indicada pela seta tracejada 44 e fluindo através do refletor 40 montado no eletrodo de terra indicado pela seta tracejada 45 gera uma força eletromagnética de alta intensidade, que vai fornecer força adicional para aumentar a velocidade da bolha de plasma avançancado para a saída do bocal. À medida que o conjunto de eletrodos pode ser deslizado para dentro e para fora do corpo do bocal, a condição das pontas dos eletrodos pode ser facilmente examinada sem desligar os cabos elétricos ligados à bateria de capitores 1 (FIGURA 1). O refletor facilmente substituível 40 aumenta a força das ondas de choque como descrito na FIGURA 4. A zona de descarga 42 pode ser facilmente controlada fazendo variar a posição do eletrodo de terra 39.

[70] A FIGURA 15 é uma modalidade semelhante à mostrada na FIGURA 12 exceto em que o espaço em torno dos eletrodos 49 pode ser variado para se reduzir a velocidade da água na zona de descarga, isto é, o intervalo entre os eletrodos. É também destinado para pressão da bomba bastante baixa (< 5kpsi) e fluxo moderado de água (< lOusgal/min). Na modalidade representada nesta figura, o aparelho gera impulsos de água pela bolha de plasma implodindo ligeiramente a montante (=2d0) de saída do bocal 46. Na modalidade ilustrada, o aparelho inclui um grande entrada de água 33 e um corpo central 50 o qual também funciona como um refletor 48. Além de funcionar como um refletor, ele também incorpora um alisador de fluxo 50e com palhetas 50F para suavizar o fluxo, isto é, para reduzir o nível de turbulência no fluxo. Em todas as modalidades aqui descritas, é importante reduzir o nível de turbulência, de forma a eliminar a formação de faíscas indesejáveis (formação de um arco elétrico), também chamado de arrastamento do eletrodo de alta voltagem para outra parte do bocal diferente do eletrodo de terra. O alisador está montado sobre um mandril roscado 50d, fabricado a partir de aço inoxidável de tipo-303 ou material semelhante. A 50d mandril é mantido no lugar pela porca cônica 50a fabricada a partir de bronze de alta resistência ou material similar, e o cone de 50c com uma arruela plana 50b para absorver a carga induzida pelos choques. A ponta do mandril 48 tem uma forma de um hemisfério côncavo, embora em variantes pode ser parabólica ou de outra forma adequada, para se concentrar e impelir os choques no sentido da saída do bocal 46. A zona de descarga a jusante do refletor 49 pode ser controlada fazendo variar a posição da ponta do eletrodo de terra 47. O tubo condutor de corrente 51 fabricado a partir de latão ou de material semelhante a 51a liga os cabos de terra para o banco de capacitores e o conector 52, também feito de latão ou cobre ou material semelhante conecta os cabos de alta tensão 53 para o banco de capacitores. O número de cabos blindados utilizados (que podem ser > 10) depende da corrente de descarga transiente gerada pela energia descarregada a partir do banco de campacitores.

[71] A FIGURA 16 é a mesma modalidade, tal como ilustrada na Figura 15 para realçar as precauções a serem tomadas com tensões elevadas (por exemplo, tensões > 5 kV). As duas questões principais a abordar para a confiabilidade da técnica de eletroerosão são: (1) vedação em todos os arranjos e as modalidades (2) prevenção de faíscas indesejáveis, muitas vezes chamadas de seguimento, o que poderia destruir os materiais isolantes utilizados para separar o conjunto do eletrodo de terra 51 do eletrodo de alta tensão 55 (descrito nas seções dos eletrodos) e outros materiais. Todas as modalidades ilustradas da presente invenção requerem a selagem, por exemplo, anéis de vedação em O especiais 54, 56, 56a (4, 5 na FIGURA 9), vedações 57 (9 na FIGURA 9) e as anilhas de vedação ou qualquer outros meios de vedação de estanque para selar contra as altas pressões transitórias geradas pelos choques e as temperaturas elevadas transientes geradas pela bolha de plasma. Selos de alta resistência (= 90 durômetro), tais como Viton ou anéis de vedação em O semelhantes podem ser utilizados nestas modalidades.

[72] Para um desempenho eficiente, a repartição de água para formar uma bolha de plasma deve acontecer no intervalo entre os eletrodos. No entanto, o estado do fluxo (por exemplo, fluxo turbulento) e outros fatores podem fazer com que a descarga aconteça em outros locais, por exemplo, a partir da ponta do eletrodo de alta tensão para a superfície interior da câmara do bocal, a qual irá eventualmente destruir a superfície lisa do bocal. Tal como ilustrado 58, o seguimento também pode ocorrer entre a haste do eletrodo de alta tensão 55 e a superfície interna do invólucro de terra 51b, o que conduz à falha do material isolante. Estes problemas são superados com as modalidades descritas abaixo.

[73] A FIGURA 17 mostra uma modalidade baseada na concepção ilustrada na FIGURA 8. A água entra através da abertura lateral 33, preenche o grande volume da câmara do bocal 63 para reduzir a velocidade do fluxo e forma uma sequência a jusante do eletrodo 65 de alta tensão isolado 64. Ao mover o eletrodo axialmente para a frente e para trás, a zona de descarga e o comprimento do arco 61 formados pela descarga podem ser variados, dando origem a uma série de bolhas de plasma ou ondas de choque esféricas ou planas. A inserção do bocal 62 está ligada à câmara 63 pela porca 59. Os comprimentos das seções divergentes 60 podem ser variados de zero para qualquer comprimento adequado (= lOin).

[74] A FIGURA 18 mostra uma outra modalidade para modular baixos fluxos de água {< 2usgpm/min) a pressões muito elevadas (>20kpsi). Como na modalidade da FIGURA 17, a água de alta pressão entra através de uma entrada (porta lateral 33) a partir da bomba. Uma vez que baixos fluxos estão envolvidos, a folga anelar seria da ordem de 0,002in, formando uma longa sequência a jusante da ponta do eletrodo isolada 70. O alisador de fluxo 50e é montado sobre uma ponta de plástico 67 para ajustar a sua posição a montante do anel. O eletrodo de alta voltagem situado axialmente pode ser movido para a frente e para trás, para variar a largura da abertura (l) entre a ponta do eletrodo e a superfície interior da ligação 69 do bocal de terra 70. A manga 66 fabricada a partir de plástico de alta resistência segura a outra extremidade do eletrodo de alta tensão para facilitar o movimento na fixação do bocal. Os cabos de alta tensão estão ligados ao eletrodo através do adaptador 71. Esta modalidade produz pulsos de água devido a implosão das bolhas de plasma.

[75] A FIGURA 19 mostra um design mais complicado em conformidade com uma outra modalidade para limitar e concentrar a bolha de cavitação que é, de fato, a bolha de plasma quando se arrefece. Em todas as modalidades descritas neste relatório, uma bolha de cavitação, de fato, se forma. No entanto, em geral, logo que chega à saída do bocal, ela tem uma tendência para ventilar para a atmosfera, sem fazer qualquer trabalho útil. O objetivo da modalidade ilustrada na FIGURA 19 é confinar e concentrar a bolha de cavitação altamente energética no alvo.

[76] Na modalidade representada na FIGURA 19, o aparelho tem um corpo principal 72 ao qual o bocal principal 74 está ligado com a porca 80 selada com os anéis de vedação em O 81. A água entra a partir da bomba para dentro do corpo principal 72 através da porta 33 e flui através do espaço anelar entre o eletrodo e a saída do bocal, como indicado pelas setas 33a. Descarga elétrica ocorre neste fluxo principal. A água entrando no bico de revestimento 75 através da porta 76 surge como m revestimento (anel) de água ao redor do jato principal como indicado por setas tracejadas 76a. O objetivo deste jato anelar secundário é confinar e transportar a bolha de cavitação para o alvo a ser processado. A porta 76 é soldada ao anel 78 e selada com os anéis de vedação 77.

[77] Outros componentes do aparelho de acordo com esta modalidade incluem um eletrodo central de isolamento 95, o qual é inserido no tubo de guia 73, que também atua como um alisador de fluxo (50f, FIGURA 15) para a alinhar com a saída do bocal, uma prensa 92, um anel de reforço 93, isolador de passagem 94,tampa para segurar o eletrodo de alta tensão de 91, e outro anel de reforço 90, outra prensa 88, anel de bloqueio 86 para o eletrodo, porca do eletrodo 85, haste de aço inoxidável 83 para aterramento do principal corpo 72, e o suporte 82 para fixar o conjunto do bico de eletrodo para um canteiro ou um manipulador robótico, haste do eletrodo de alta voltagem 89 para a conexão aos cabos de alta tensão e os anéis de vedação em O 84 e 87 para vedar o eletrodo contra a fuga de água. A maioria dos componentes ilustrados nesta modalidade também se aplica a outras modalidades.

[78] A FIGURA 20 representa um aparelho de acordo com outra modalidade que é concebido para uma ou várias descargas sequenciais na seção de saída divergente do bocal 100.

[79] À medida que as pontas dos eletrodos anelares 96, colocadas de modo circunferencial, estão alinhadas com a superfície interior da seção divergente do bocal, o fluxo através do bocal é muito liso, sem perturbações. O aparelho de acordo com esta modalidade é destinado para fluxos baixos (= lusgal/min) a baixas pressões (= 2kpsi). Os eletrodos de anel 96, a terra 97 e hastes de alta voltagem 101 são encerradas em borracha de silicone 98 como material isolante. Para segurança adicional, o conjunto de eletrodos anelares é incorporado em um plugue de cerâmica 99. Um par de eletrodos pode ser disparado uma vez, como em outras modalidades. Ou, eles podem ser disparados em sequência, ao longo de um atraso de alguns microssegundos, para aumentar a intensidade do choque e de plasma e empurrá-los para o alvo. Isto é possível porque a linha de faísca, indicada pela seta tracejada, está na mesma direção que o fluxo.

[80] A FIGURA 21 mostra um aparelho de acordo com ainda outra modalidade para intensificar a força das ondas de choque formadas em água quiescente no bocal. Teoricamente, colisão e convergência de duas ondas de choque, indicadas pelas setas, iria aumentar a velocidade do jato pulsado que emerge do bocal. Os eletrodos de terra do tipo anel 102 e eletrodos de alta voltagem do tipo anel 103 são colocados acima e abaixo do principal bocal 104. Com uma válvula de retenção, não mostrada na FIGURA 21, o fluxo através da entrada (ou da porta) 33 a partir da bomba ou uma garrafa de água, enche a câmara de bocal 104a e permanece momentaneamente estagnado (quiescente). As ondas de choque esféricas em expansão após a formação de canais de plasma convergem no momento da entrada à saída do bocal 104b aumentando a velocidade do jato de água pulsado emergente.

[81] Na modalidade representada na FIGURA 22, um aparelho é colocado à direita na superfície 109 para ser processado, por exemplo, fragmentando a blindagem biológica concreta de um sistema de energia nuclear. Nesta modalidade, o aparelho é basicamente o mesmo que o das modalidades ilustradas na FIGURA 12 e FIGURA 13, com uma câmara hemisférica 111 para focar a onda de choque, bolha de plasma e impulsos de água para impactar a superfície. A água entra através da entrada (ou porta) 33 para dentro da câmara hemisférica 111, e permanece momentaneamente como água quiescente devido ao encosto da face 111a da câmara de encontro à superfície 109. O conjunto refletor é colocado no invólucro 105. O eletrodo de alta voltagem 107 e o revestimento de terra 106 são montados como uma unidade para fácil inserção na câmara hemisférica. O amortecedor 108 fabricado a partir de elastômeros de alta resistência está configurado para absorver as elevadas tensões geradas pelas ondas de choque. A descarga, tal como indicada pela seta 110, tem lugar entre a ponta do eletrodo de alta tensão 107 e a ponta do revestimento de terra 106.

[82] A FIGURA 23 mostra uma outra modalidade semelhante à modalidade ilustrada na FIGURA 22, exceto que incorpora terra separada 112 e o eletrodo de alta voltagem 107, tornando-se possível variar a largura do intervalo (l). Como ilustrado na FIGURA 6, a velocidade do jato pulsado pode ser aumentada através do aumento de l, formando canal de plasma longo 110 que melhoram a eficácia da técnica para a indução de fraturas por eletroerosão (rachaduras) ou fragmentação de materiais muito duros tipo rocha.

[83] A FIGURA 24 mostra uma modalidade de conjuntos de eletrodos do bocal de ligação, descritos em todas as seções anteriores, para a bomba de água. Como é conhecido no campo da engenharia de alta tensão (T. Croft and W.l. Summers, "American Electricians Handbook," 14th Edition, McGraw Hill, 2002), precauções extremas precisam ser tomadas para garantir a segurança do pessoal e outros equipamentos. No caso da técnica de eletroerosão, arrastamento (ou seja, a formação de faíscas indesejáveis) precisa ser eliminado pelo aterramento adequado de todos os componentes, para o mesmo terreno, por exemplo, um tubo de água. O outro problema importante é a prevenção da lesão de equipamento eletrônico provocada pela radiação eletromagnética provocada pela corrente de descarga elevada transiente, através da proteção adequada de todos os cabos, etc.

[84] No caso de uma bomba de água de alta pressão, o tubo usado consiste geralmente em fios de metal trançado. Portanto, quando a mangueira é ligada ao bocal de ligação à terra, a corrente de descarga pode também fluir através do tubo para a bomba e pode danificar os componentes elétricos da bomba. A modalidade mostrada na Figura 24 inclui um acoplamento de mangueira de isolamento para isolar eletricamente a bomba a partir do conjunto do bocal.

[85] O acoplamento inclui uma parte de metal 114 para a ligação ao conjunto do bocal 33 e o encaixe de alta-pressão 121 fabricado a partir de aço inoxidável de alta resistência. Ambas as superfícies interior e exterior da peça metálica 114 e o encaixe 121 são revestidos com epóxi ou revestimento semelhante 122 como isolamento. O pacote de vedação 123 inclui uma embalagem macia 118 feita de teflon ou material similar, mantida no lugar por material plástico de alta resistência, tais como o vidro PEEK (poliéter éter-cetona) 117. As peças são montadas e apertadas por pregos roscados 116 e 120 porcas com anilhas metálicas 119 e um isolador de passagem 115 feitos de vidro PEEK ou de materiais semelhantes.

[86] A Figura 25 mostra ainda um outro acoplamento para ligação da bomba ao conjunto de bocal para eliminar os problemas de ligação à terra e que é adequado para pressões baixas (=5kpsi). Uma isoladora de plástico 129 de alta resistência roscada 128 é usada para ligar o encaixe de alta pressão 124 para o fluxo de água da bomba 131 e o encaixe 130 que conduz ao conjunto de bocal. O vazamento de água é impedido pelos anéis de vedação em O 127. O corpo de plástico foi reforçado a partir do exterior por uma manga metálica encolhida termicamente 125. Toda o conjunto foi fechada em uma tubulação de plástico flexível 126 para fornecer isolamento elétrico adicional.

[87] É bastante claro a partir das descrições dadas em todas as seções anteriores que a eletroerosão é um fenômeno complexo que exige grande atenção ao design de todos os componentes para derivar seus benefícios, evitando danos ao pessoal e outros equipamentos nas proximidades do aparelho de eletroerosão. É também claro que, dependendo da aplicação, é possível fabricar uma variedade de configurações de bocal (câmaras) para otimizar o desempenho da técnica de eletroerosão. Cada tipo de configuração de bocal requer um tipo diferente de alta tensão e o conjunto do eletrodo de terra para deposição eficiente da energia elétrica na câmara. Isto requer que a descarga deve ocorrer apenas entre as pontas dos eletrodos e não em qualquer outro lugar, isto é, o arrastamento (faíscas indesejadas, tal como ilustrado pela seta 58 em negrito na Figura 16) devem ser evitadas. Isso só é possível mediante o pagamento de máxima atenção ao design de conjuntos de eletrodos e como eles estão ligados ao banco de capacitores. Nas seções a seguir algumas das configurações e as principais características são descritas.

[88] A FIGURA 26 mostra uma modalidade do conjunto do eletrodo e um componente para ligá-lo aos cabos do banco de capacitores. Esta modalidade destina-se para os bocais do tipo ilustrado na FIGURA 12 e FIGURA 13 ou tipos semelhantes. O conjunto mostra o corpo principal 136 fabricado a partir de aço inoxidável ou material semelhante ligado à barra condutora de terra 132. O eletrodo de alta tensão central de 138, fabricado a partir de carboneto de tungstênio ou material semelhante resistente ao desgaste, é isolado a partir do corpo principal fundamentado através dos tubos coaxiais 135 e 140 fabricados a partir de materiais plásticos de alta resistência dielétricos, tais como Ultem, PEEK ou outros materiais semelhantes. O eletrodo de alta tensão é fixado pela porca principal 139 feita a partir de aço inoxidável, e a porca de bloqueio 137 feita de latão ou de bronze ou de metal macio semelhante e a porca 141. A haste de alta tensão 138 está ligada ao conjunto de barra condutora de alta tensão 142 de cabos de alta tensão pelo acoplamento 133 feito de latão, de cobre ou metais altamente condutores semelhantes. A barra condutora de alta tensão é montada pelo prego 142a, porca de plástico 133a, anilha de plástico 133b e disco de plástico 133c. Os cabos de alta tensão são fixados através dos parafusos de fixação. Por razões de segurança adicionais, o conjunto de barras condutoras de alta tensão é fechada em um tubo de plástico 134 feito a partir de material acrílico ou semelhante.

[89] A FIGURA 27 é uma outra modalidade de um conjunto de eletrodos 143 para a configuração do bocal ilustrado na FIGURA 10 ou tipos semelhantes. A configuração do eletrodo é destinado a alta pressão estática da água {= 20kpsi) e também alta carga de choque após a descarga. A parte dianteira 144 da haste de alta tensão 149 é moldada na forma de porções cônicas divergentes e convergentes para auto-selagem. Como se mostra nesta modalidade, a ponta é uma ponta bulbosa com o cone convergindo encontrando uma face posterior da ponta para proporcionar um lábio anelar angular. Toda a haste é revestida com epóxi 151 ou qualquer outro material semelhante, capaz de resistir a tensões elevadas, até um máximo de 50 kV e que seja compatível com água. O eletrodo de alta tensão 149 é inserido em duas mangas metálicas 146 e 147 as superfícies exteriores as quais são também revestidas com epóxi ou materiais de alta resistência dielétricos semelhantes e são coladas umas às outras com Loctite ou adesivo semelhante. O conjunto de eletrodos é ligado ao corpo do bocal fundamentado com a porca 145, prevendo a possibilidade de alterar a largura da abertura (l) através da variação das espessuras das anilhas 148. O vazamento de água é impedido pelos anéis de vedação em O 150 e 152.

[90] A FIGURA 28 é ainda outra modalidade para utilização no corpo do bocal mostrado na FIGURA 10 ou tipos semelhantes. O conjunto de eletrodo tem a mesma configuração como se mostra na FIGURA 27, com ligeiras modificações para eliminar o arrastamento(faíscas indesejável) entre o eletrodo de alta tensão 149 e a porca 145 ligada à terra. O eletrodo revestido de alta tensão 155 está rodeado pela manga interna 154 fabricada a partir de PEEK plástico de alta resistência ou material semelhante, o qual é inserido na manga metálica 156, a superfície interior da qual é revestida com epóxi ou materiais semelhantes. O conjunto do eletrodo é protegida pelo anel 153 fabricado a partir de metal macio ou elastômeros. A largura do intervalo (l) pode ser variada através das anilhas 157. Tubo de plástico 158 em torno da parte posterior do eletrodo 155 impede qualquer arrastamento do eletrodo para a anilha.

[91] A FIGURA 29 mostra uma modalidade do conjunto do eletrodo para a configuração do bocal ilustrado na FIGURA 12 ou tipos semelhantes. O eletrodo de alta tensão 149 é isolado a partir da porca ligada à terra 165 por duas mangas de plástico 163 e 164, que podem ser feitas a partir de Ultem, vidro de PEEK ou materiais similares. Como os materiais plásticos são, em geral frágeis, as mangas são mantidas sob compressão através da porca 162 feita de bronze ou um material semelhante e o protetor metálico 159 feito a partir de aço inoxidável ou material semelhante. O protetor é colado ou ligado à manga 163 por um adesivo forte, tais como Loctite ou adesivo semelhante. O intervalo (l) entre os eletrodos pode ser variado através dos anéis espaçadores 161 feitos a partir de Lexan ou de materiais semelhantes. A selagem é conseguida por os anéis de vedação em O rígidos 166 e 167. A ponta 160 feita a partir de cobre tungstênio ou material semelhante é soldada em prata para a frente 160a da haste de alta tensão 149. Para uma proteção adicional, a haste de alta tensão 149 é inserida em um tubo, por exemplo, um tubo Tygon® 168.

[92] A FIGURA 30 ilustra ainda uma outra modalidade de um conjunto de eletrodo para utilização no corpo do bocal mostrado na FIGURA 10 ou tipos semelhantes. É semelhante aos conjuntos de eletrodos representados na FIGURA 27 e FIGURA 28, com algumas características novas e de segurança adicionais. O eletrodo de alta tensão 149 inclui a ponta 174, que é mantida no lugar por um pino 173. Quando a ponta 174 desaparece devido à ablação causado pelas faíscas, uma nova pode ser facilmente inserida para continuar as operações em que são necessárias descargas repetidas. A manga em torno do eletrodo inclui um isolador central 171 feito de PEEK ou material similar e o isolador frontal 172 feito de elastômeros para absorver as cargas de choque causadas pela descarga. O conjunto de eletrodo e as mangas são coladas à manga exterior metálica revestida 175. O conjunto é inserido no compartimento do bocal 143 e apertado através da porca ligada à terra 145. A largura do intervalo (L) pode ser variada através das anilhas 170. A fim de prevenir o arrastamento entre a parte de trás da porca 145 e o conector do cabo de alta tensão 169 ou a haste 149, um isolador 176, semelhante à forma ondulada sinusoidal ou utilizado em linhas de transmissão de alta voltagem, é inserido como mostrado.

[93] A FIGURA 31 ilustra um conjunto de eletrodo de alta voltagem de acordo com uma outra modalidade que pode ser utilizado para qualquer configuração do bocal para pressões moderadas operacionais (~10kpsi) e tensões de até 20kV. A ponta 178 é enroscada para a haste de alta tensão 179. A fim de prevenir o arrastamento entre a ponta 181 e em qualquer localização sobre a superfície interior do corpo do bocal, o ressalto 180 está revestido com um revestimento de plasma de alta resistência dielétrico, tal como o óxido de alumínio ou um material semelhante. A haste de alta tensão 179, exceto a parte enroscada, também é revestida com o revestimento de plasma. A parte curvada, hemisférica ou qualquer outra forma da ponta 181 pode ser revestida com um metal resistente à alta ablação, tal como uma liga de carboneto de tungstênio, cromo e cobalto, ou componentes semelhantes, para prolongar a vida útil do eletrodo. A haste em si pode ser fabricada a partir de metais de baixo custo, tais como latão ou cobre. À medida que a ponta desaparece, uma nova ponta pode ser facilmente ligada ao eletrodo de haste roscada reduzindo o tempo de inatividade. A haste de eletrodo revestida é envolta por uma manga 177 fabricada a partir de plástico de alta resistência ou um metal revestido de todos os lados com um material isolante igual ao ressalto 180, utilizando plasma ou qualquer outra técnica de revestimento.

[94] FIGURA 32 ilustra os resultados muito preliminares obtidos com a técnica por eletroerosão pelo inventor (Vijay, et al., Generating powerful pulsed water jets with electric discharges: Fundamental Study," Proceedings of the 9th American Water Jet Conference, August 1997). Os discos de alumínio foram submetidos a jato de água pulsada que emerge de um bocal do tipo ilustrado na FIGURA 11. A altura do polo formado pela deformação causada pelo impacto do jato pulsado é uma indicação da eficácia da técnica de eletroerosão para aplicações industriais, tais como a mineração de minerais e aplicações humanitárias, tais como minas terrestres neutralizantes. A deformação é claramente uma função da energia elétrica descarregada entre os eletrodos a uma largura de intervalo de 16 milímetros.

[95] A FIGURA 33 é uma ilustração de um sistema híbrido de aplicação da técnica de eletroerosão de baixa frequência e de jato de água pulsado de alta frequência modulado por ultrassom (Vijay et al., "Ultrasonic Waterjet Apparatus," US Patent No. 7,594,614 B2, Sep. 29, 2009) para mineração de minerais de formações de rocha dura 188 ou aplicações similares sem o uso de explosivos prejudiciais ao ambiente. O primeiro método implica a perfuração de um furo 186 com o bocal ultrassônico rotativo 182. Algumas formações rochosas contêm minerais duros como o quartzo que são difíceis de fraturar apenas com o jato de água. No entanto, tais minerais rígidos sendo quebradiços podem ser facilmente quebrados pelos bits em carboneto 183 sinterizados para o corpo do bocal rotativo. Quando uma certa profundidade do buraco tiver sido obtido, então o bocal de eletroerosão 184 pode ser reduzido para o buraco cheio de água com a geração de ondas de choque poderosas, pulsos e bolhas de cavitação 189, resultando em fraturas e microfraturas na formação rochosa 187. Como tais fraturas enfraquecem a formação de rocha, o diâmetro do buraco 185 e a taxa de perfuração aumentaria consideravelmente aumentando a produtividade. Assim, esse sistema híbrido seria extremamente benéfico para a mineração de minerais ou em outras aplicações, como, por exemplo, quebrar as blindagens biológicas concretas em operações de desmantelamento de estações de energia nuclear obsoletas.

[96] As modalidades da invenção descritas acima pretendem ser apenas exemplificativas. Como será apreciado pelos técnicos especialistas no assunto a quem esse relatório descritivo é direcionado, muitas variações podem ser feitas às modalidades aqui presentes, sem nos afastarmos do escopo da invenção. O escopo de direito exclusivo solicitado pelo titular é, portanto, destinado a ser limitado apenas pelas reivindicações anexas.

[97] É para ser entendido que as formas singulares "um", "uma" e "o" incluem referentes plurais a menos que o contexto dite claramente o contrário. Assim, por exemplo, a referência a "um dispositivo" inclui referência a um ou mais de tais dispositivos, ou seja, de que existe pelo menos um dispositivo. Os termos "compreendendo", "tendo", "incluindo" e "contendo" são para serem interpretados como termos abertos (isto é, que significa "incluindo, mas não limitado a"), a menos que indicado de outra forma. Todos os métodos aqui descritos podem ser realizados em qualquer ordem adequada, a menos que de outro modo aqui indicado ou de outro modo claramente contradito pelo contexto. A utilização de exemplos ou linguagem exemplificativa (por exemplo, "tal como") pretende meramente melhor ilustrar ou descrever modalidades da invenção e não se destina a limitar o escopo da invenção a menos que de outro modo reivindicado.

[98] Embora diversas modalidades tenham sido fornecidas no presente relatório descritivo, deve ser entendido que os sistemas e métodos descritos podem ser realizados de muitas outras formas específicas sem se afastar do escopo da presente descrição. Os presentes exemplos devem ser considerados como ilustrativos e não restritivos, e a intenção não é para ser limitada aos detalhes aqui fornecidos. Por exemplo, os diversos elementos ou componentes podem ser combinados ou integrados em outro sistema ou certas funcionalidades podem ser omitidas, ou não implementadas.

[99] Além disso, técnicas, sistemas, subsistemas e métodos descritos e ilustrados nas várias modalidades como discretos ou separados podem ser combinados ou integrados com outros sistemas, módulos, técnicas, ou métodos sem se afastarem do escopo da presente descrição. Outros itens mostrados ou discutidos como acoplados ou acoplados diretamente ou se comunicando uns com os outros podem ser indiretamente acoplados ou se comunicando através de alguma interface, dispositivo ou componente intermediário se eletricamente, mecanicamente, ou de outra forma. Outros exemplos de modificações, substituições e alterações são determináveis por um técnico especialista no assunto e podem ser feitas sem se afastarem do escopo aqui descrito.

REIVINDICAÇÕES

Claims (15)

1. Aparelho de eletroerosão caracterizado por compreender: um bocal que inclui uma câmara de descarga que tem uma entrada para receber a água e uma saída; um primeiro eletrodo que se estende para dentro da câmara de descarga e sendo ligado eletricamente a um ou mais capacitores de alta tensão; um segundo eletrodo na proximidade do primeiro eletrodo para definir um intervalo entre o primeiro e o segundo eletrodos; e um interruptor para fazer com que o um ou mais capacitores descarreguem através do intervalo entre os eletrodos para criar uma bolha de plasma que se expande para formar uma onda de choque que escapa à frente do bocal da bolha de plasma.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda uma bomba de água eletricamente isolada do bocal por um acoplamento eletricamente isolante, a bomba de água pressurizando a água para criar um jato de água de alta velocidade através do bocal.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação í, caracterizado por compreender ainda um refletor disposto na entrada, o refletor sendo movível para atuar como uma válvula de retenção para admitir água para dentro da câmara de descarga e para refletir uma onda de choque gerada pela descarga.

4 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os primeiro e segundo eletrodos serem ortogonais para o bocal e o primeiro eletrodo ter uma ponta plana e o segundo eletrodo tem uma ponta pontiaguda.

5 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o primeiro eletrodo ter uma haste axialmente alinhada tendo uma porção para a frente e tendo porções cônicas divergentes e convergentes para a auto-vedação contra uma manga de isolamento interior, e em que o eletrodo tem uma ponta bulbosa.

6 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender ainda um transdutor ultrassônico para a modulação de um jato de água de alta velocidade para gerar um jato de água pulsado forçado.

7 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por uma microponta do transdutor ultrassônico ser ortogonal aos primeiro e segundo eletrodos, e em que a microponta, o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo de cada terminam em uma seção divergente do bocal.

8 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por uma primeira ponta do primeiro eletrodo ser pontiaguda e uma segunda ponta do segundo eletrodo é plana.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por uma primeira ponta do primeiro eletrodo ser plana e uma segunda ponta do segundo eletrodo é plana.

10 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os primeiro e segundo eletrodos serem embalados em uma única unidade destacável que desliza para dentro e perpendicularmente para fora do bocal.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender ainda um refletor em forma côncava.

12 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os primeiro e segundo eletrodos terem pontas descartáveis.

13 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por cada uma das pontas destacáveis serem mantida no lugar por um pino.

14 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um bocal de revestimento tendo uma porta para receber a água e para gerar um revestimento de um jato de água que define um jato anelar secundário, para limitar uma bolha de cavitação quando a bolha de plasma arrefece e para transportar a bolha de cavitação no sentido de uma superfície a ser processada.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda eletrodos anelares para descargas sequenciais.