CN104302432B - 用于气体焊炬的万能头混合涡流喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于气体焊炬的万能头部混合涡流喷射器。所述涡流喷射器可包括适于设置在所述焊炬头部中的喷射器主体。所述喷射器主体可限定涡流挡板、与所述涡流挡板流体连通的喷射器孔口，以及与所述喷射器孔口流体连通的混合室。所述涡流喷射器还可包括从所述混合室延伸到所述喷射器主体外部的至少一个气体端口。所述混合室的直径可大于所述喷射器孔口的直径。

Description

用于气体焊炬的万能头混合涡流喷射器

相关申请的交叉引用

本申请是2012年5月14日提交的待审美国临时专利申请序列号61/646,450的非临时申请，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开总体涉及气体燃烧式焊炬的领域，并且更具体地，涉及一种用于切割焊炬头部的改进的燃料气体和氧气混合器。

背景技术

燃料气体-氧气切割焊炬是众所周知的，并且通常包括具有与焊炬端头连通的出口通道的焊炬头部，可燃的气体混合物流过该焊炬头部并且被点燃并导向工件。焊炬通常包括连接到对应的燃料气体源和氧气源的燃料气体和氧气供应线，并且阀被提供用于控制燃料气体和氧气到焊炬头部的流动。此类焊炬具有预热操作模式，在该模式中燃料气体和氧气在混合器中结合以提供可燃混合物，该可燃混合物随后流到焊炬头部出口和焊炬端头，该混合物在焊炬端头处点燃以形成预热火焰，该预热火焰用于将工件加热到将支持燃烧的温度。此类焊炬还具有切割操作模式，在该模式中在预热操作之后切割氧气被供应到焊炬端头、与预热的可燃混合物分开，以便从端头流动并切割受热工件。

燃料气体-氧气混合器的功能是使燃料气体和氧气组分(燃料气体和氧气组分被单独供应到该混合器)混合，并且将混合物递送到焊炬端头，以便在由可燃混合物在端头处的燃烧所产生的整个火焰中实现均匀的燃烧效率。

关于燃料气体-氧气混合器的另一个性能要求是，提供对(例如)响应于焊炬端头与工件的接触而发生的逆火可能导致的回火的抵抗力。此类逆火可导致焊炬内部、在燃料气体和氧气的混合点与焊炬端头处的混合物的燃烧点之间发生爆炸。在逆火导致焊炬内部的持续燃烧的情况下，这种持续燃烧被定义为回火。回火可迅速毁坏焊炬并使用户受到伤害。因此，燃料气体-氧气混合器必须能够最小化或消除逆火，以使回火的机会或影响减到最小。迄今为止，可用的混合器设计结构复杂、体积庞大、并且不合期望地制造昂贵。另外，这些混合器设计的制造和装配困难和/或耗时。

此外，许多混合器设计具有以下缺点：它们仅限于与单一类型的燃料(例如，乙炔、天然气、丙烷、丙烯)一起使用。因此，将合乎期望的是，提供一种这样的简化混合头设计：容易制造、提供对逆火/回火具有合乎期望的抵抗力、并且可与多种燃料一起操作。

发明内容

本发明公开一种万能头混合涡流喷射器。该喷射器可安装到气体焊炬头部中。涡流挡板被提供在喷射器孔口上游，并且气体端口被定位成随着气体膨胀到定位在气体端口下游的混合室中抽吸真空。

本发明公开一种用于连续混合两种气体的涡流喷射器。第一气体以相对高的流速递送，并且经过涡流挡板并加速穿过喷射器孔口。这种移动引起第一气体的强大轴向和切向速度。在喷射器孔口下游，第一气体在临近第二气体的喷射端口处遭遇突然膨胀。第二气体的喷射端口被定位成产生与第一气体的流速在强度方面不同的真空。真空吸引第二气体穿过喷射端口，在该喷射端口处第二气体与第一气体在混合室中混合。混合气体随后被提供到焊炬端头，混合气体在该焊炬端头处可被点燃。

根据本公开，提供一种用于气体焊炬的头部混合涡流喷射器。涡流喷射器的一个实施例可包括适于设置在焊炬头部中的喷射器主体。喷射器主体可限定涡流挡板、与该涡流挡板流体连通的喷射器孔口，以及与喷射器孔口流体连通的混合室。涡流喷射器还可包括从混合室延伸到喷射器主体外部的至少一个气体端口。混合室的直径可大于喷射器孔口的直径。

因此，一种用于在根据本公开的气体焊炬的头部内混合气体的方法可包括以下步骤：强制第一气体穿过涡流挡板、强制第一气体从涡流挡板进入喷射器孔口、并且强制第一气体从喷射器孔口进入混合室，该混合室的直径大于喷射器孔口的直径。第一气体的这种路径选择在混合室中形成强大的压力梯度，该压力梯度吸引第二气体穿过与燃料管流体连通的至少一个气体端口进入混合室。第一气体和第二气体在于焊炬端头处点燃之前混合在一起。

附图说明

现在将参照附图，通过实例的方式来描述所公开装置的特定实施例，在附图中：

图1是示例性气体焊炬的透视图；

图2是图1的示例性气体焊炬的部分截面图，该气体焊炬整合有所公开的头部混合涡流喷射器；

图3是图1的示例性气体焊炬的头部部分的截面图，该图示出所公开的头部混合涡流喷射器；

图4A、图4B和图4C是根据本公开的示例性涡流喷射器的透明视图、侧视图和截面图；

图5A是用于图4A至图4C的涡流喷射器的喷射器主体的截面图；

图5B是喷射器主体沿图4A的线5B-5B所截取的截面图；

图6A、图6B和图6C分别是用于图4A至图4C的涡流喷射器的示例性涡流挡板的透视图、侧视图和端视图；以及

图7示出氧气和燃料穿过图1的气体焊炬的头部部分的移动。

具体实施方式

参照图1和图2，示出具有带有末端14的焊炬头部12、主体16以及相应的气体供应管18的切割附件型焊炬10。如图所示，存在联接到头部12的三个管18。这些管18可包括氧气管20、混合氧气管22、和燃料管24。每个管18还可联接到焊炬主体16，以便与延伸穿过主体16的相应切割氧气通道(20a)、混合氧气通道(22a)和燃料通道(24a)连接。焊炬10还可包括插入在切割氧气通道中以便控制到焊炬10的气体流动的切割氧气阀和杠杆组件26。设置在焊炬头部12和混合氧气管22的一部分内的是涡流喷射器40，该涡流喷射器40联接到混合氧气管22和燃料管24，以便以稍后将更详细描述的方式来将氧气与燃料混合。

参照图3，焊炬头12示出为所谓的九十度焊炬头部，诸如可用来将焊炬端头定向成相对于焊炬的其余部分基本上成九十度，以促进用户观察正在执行的工作。然而，这不是决定性的，并且头部12根据需要可具有多种其它定向中的任一种。焊炬头部12可具有临近其末端14的螺纹部分28，以便将端头30附接到焊炬头部12。焊炬头部12包含从切割氧气管20的终端延伸到焊炬头部12的末端14的切割氧气通道34。焊炬头12还包含混合氧气通道36，该混合氧气通道36具有临近混合氧气管22的终端设置的大直径部分36a和从该大直径部分的下游端延伸到头部12的末端14的小直径部分36b。焊炬头部12还包含燃料通道38，该燃料通道38具有从燃料管24的终端轴向延伸的大直径部分38a和从该大直径部分38a的下游端延伸到横断混合氧气通道36的大直径部分36a的点的小直径部分38b。

图2和图3示出涡流喷射器40的位置，该涡流喷射器40具有设置在焊炬头部12中的第一端40a和设置在混合氧气管22中的第二端40b。涡流喷射器40可以是细长的大体圆柱形元件，其第一端40a诸如通过螺纹接合安装在焊炬头部12的混合氧气通道36内、与该混合氧气通道36处于基本上同轴的关系。第二端40b可纵向延伸到混合氧气管22中、与混合氧气管22处于紧密间隙和基本上同轴的关系。环形凸缘42可从涡流喷射器40的外部延伸，以便邻接混合氧气通道36的上游肩部36c，从而相对于焊炬头部12固定涡流喷射器40的相对轴向位置。

现参照图4A至图6C，将更详细地描述涡流喷射器40。如所指出，涡流喷射器40可具有用于接合焊炬头部12和混合氧气管22的配合部分的第一端40a和第二端40b。第一端40a可包括用于接合焊炬头部12中的配合螺纹的螺纹。第二端可以是大体上圆柱形的并且可以被设定尺寸以便与混合氧气管22的内部直径以紧密贴合的方式被接纳。

中间通道41可在涡流喷射器40的第一端40a与第二端40b之间延伸。中间通道41可包括邻近涡流喷射器40的第二端40b设置的第一部分41a。第一部分41a可以被设定尺寸以便将涡流挡板2容纳在其中。如稍后将更详细地描述，涡流挡板2可在第一部分41内形成螺旋形沟道，以导致在箭头“A”(图4C)方向上经过第一部分41a的气体当其经过中间通道41时产生涡流。

中间通道41还可包括邻近第一部分41a的第二部分41b。第二部分41b可包括直径小于第一部分41a的直径的喷射器孔口。

中间通道可具有邻近第二部分41b的第三部分41c。第三部分41c可包括混合室，该混合室的直径小于第一部分41a的直径，但大于第二部分41b的直径。多个气体入口端口43可设置在涡流喷射器40的壁中。气体入口端口43可定位成使得气体可经过这些端口并进入混合室(即，中间通道的第三部分41c)。在一些实施例中，多个气体入口端口43围绕涡流喷射器40的直径周向间隔。如图3中可见，气体入口端口43定位成使得：当涡流喷射器40安装在焊炬头部12中时，这些端口与燃料通道38的小直径部分38a流体连通。以这种方式，可引入来自燃料通道38的燃料穿过端口43、进入中间通道41，以便该燃料能够与来自混合氧气管22的氧气混合。

图5A和图5B示出涡流喷射器40的主体部分45(即，挡板2不在其位置)。主体部分45可具有总长度“L”，以及分别与中间通道41的第一部分41a、第二部分41b和第三部分41c对应的第一长度“La”、第二长度“Lb”和第三长度“Lc”。另外，中间通道41的第一部分41a、第二部分41b和第三部分41c可具有不同的内部直径。第一内部直径“IDa”可对应于中间通道41的第一部分41a，并且可以被设定尺寸以便将涡流挡板2接纳在其中。第二内部直径“IDb”可对应于中间通道41的第二部分41b，并且可小于第一内部直径“IDa”。第三内部直径“IDc”可对应于中间通道41的第三部分41c，并且可大于第二内部直径“IDb”但小于第一内部直径“IDa”。气体入口端口43可定位成离涡流喷射器主体的第二端有一个距离“PD”。

在一个非限制性的示例性实施例中，涡流喷射器主体45的总长度“L”可以为约1.635英寸，第一长度“La”可以为约0.825英寸，第二长度“Lb”可以为约0.418英寸，以及第三长度“Lc”可以为约0.392英寸。另外，第一内部直径“IDa”可以为约0.147英寸，第二内部直径“IDb”可以为约0.046英寸，并且第三内部直径“IDc”可以为约0.089英寸。气体入口端口43可以定位成使得其中心离涡流喷射器的第二端40b为约0.365英寸(尺寸“PD”)。气体入口端口43各自还可具有约0.041英寸的内部直径。

第一倒角41d和第二倒角41e可提供在中间通道41的第一部分41a与第二部分41b以及第二部分41b与第三部分41c之间。第一倒角和第二倒角可具有角度“α”。在一个非限制性实施例中，α为约118度。

涡流喷射器主体45的第一端40a可具有被设定尺寸以便接纳在混合氧气管22内的外部直径“ODa”，而第二端40b可具有被设定尺寸并配置以便与焊炬头部12的对应内螺纹配合的一组外螺纹47。

在一个示例性非限制性实施例中，气体入口端口43定位在离中间通道41的第二部分41b与第三部分41c之间的过渡部分两个直径(即，气体端口直径)距离内。这将气体入口端口43放置在第三部分41c(即，混合室)中的一个位置处，在该位置处来自混合氧气管22的气体涡旋流动膨胀以提供用于吸引燃料以最佳速率穿过气体入口端口43的所需真空度。

现参照图6A至图6C，示出涡流挡板2。在图示的实施例中，涡流挡板2包括扭转成使得挡板类似于螺丝锥的扁平元件，该扁平元件随后可插入到涡流喷射器主体45的中间通道41的第一部分41a中。涡流挡板2可具有约0.146英寸的外部直径“BD”、约0.19英寸的扭转周期“TP”，以及约0.77英寸的总长度“BL”。在装配时，涡流挡板2可以插入到中间通道41的第一部分41a中并卷曲到主体45上。涡流喷射器主体45和涡流挡板2可以由铜制成，从而可以提供所需的热传递特性。

参照图7，将描述包括涡流注射器40的焊炬10的示例性操作。如图所示，预热氧气从氧气源被导向穿过混合氧气管22。预热氧气进入涡流喷射器40的第一端40a，在该第一端40a处涡流挡板2使得氧气以旋涡的方式切向涡旋。预热氧气随后被导向到中间通道41的第二部分41b(喷射器孔口)中。第二部分41b的相对于第一部分41a减小的直径使得氧气加速穿过第二部分。

预热氧气随后进入中间通道41的第三部分41c(混合室)。当预热氧气膨胀到直径增加的第三部分41c中时，它形成一个减压区，从而吸引燃料管24中的燃料气体穿过燃料通道38和气体入口端口43、进入中间通道的第三部分41c。如应当理解，预热氧气的涡旋、加速和膨胀使得燃料和氧气充分混合。

发明人已经发现，真空力的大小以及因此氧气中燃料气体的夹带量随预热氧气的流速而变化。因此，不管氧气的流速如何，燃料气体和预热氧气彼此将始终以正确的比例混合。因此，所公开的设计可提供多种气体(包括乙炔、天然气、丙烷和丙烯)的有效混合。另外，发明人已经发现，由于所公开的设计提供了增强的燃料/氧气混合程度，因此在切割操作期间消耗的气体量减少。

另外，因为氧气与燃料的混合发生在焊炬10的头部12中，所以在回火情况下伤害焊机的可能性。在所公开的实施例中，小于1/4英寸的气体位于焊炬头部中，从而减小爆炸和对用户造成伤害的潜在影响和可能性。

基于以上信息，本领域的技术人员应当容易理解，所公开的装置易具有广泛的用途和应用。在不脱离本发明的实质和范围的情况下，除本文具体描述的这些实施例之外，所公开装置的许多实施例和改编方案，以及许多变更、修改和等效布置通过所公开的装置及其以上描述将显而易见或得到合理暗示。因此，虽然本文已经结合一个或多个实施例对所公开装置进行了详细描述，但应当理解，本公开仅是所公开装置的说明和例示，并且仅仅是为了提供所公开装置的完整和能够实现的公开内容。以上公开内容不应被解释为限制本发明或以其它方式排除任何此类其它实施例、改编方案、更改、修改或等效布置；所公开的装置仅受所附权利要求书及其等效物限制。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般和描述性意义使用，并非用于限制。

Claims (21)

1.一种用于气体焊炬的混合喷射器，所述混合喷射器包括：

适于设置在所述焊炬头部中的喷射器主体，所述喷射器主体包括：

在所述喷射器主体的第一端与第二端之间延伸的中间通道，所述中间通道的包围涡流挡板的第一部分；

所述中间通道的包括喷射器孔口的第二部分，所述喷射器孔口的直径小于所述中间通道的所述第一部分的直径；

所述中间通道的包括混合室的第三部分，所述混合室的直径大于所述喷射器孔口的直径并且小于所述中间通道的所述第一部分的所述直径；以及

从所述混合室延伸到所述喷射器主体外部的气体入口端口，所述气体入口端口用于接纳来自燃料气体供应的燃料气体并且用于将所述燃料气体导向到所述混合室，所述气体入口端口包括形成在焊炬头部内的位于所述喷射器主体和混合氧气通道之间的腔室，所述腔室在从所述喷射器主体外部延伸的环形凸缘和所述喷射器主体与所述混合氧气通道的接合位置之间围绕所述混合室的外部环形地延伸并沿着所述混合室的外部轴向地延伸。

2.根据权利要求1所述的混合喷射器，其中所述气体入口端口包括多个气体入口端口。

3.根据权利要求2所述的混合喷射器，其中所述多个气体入口端口围绕所述喷射器主体的圆周均匀间隔。

4.根据权利要求1所述的混合喷射器，其中所述气体入口端口具有直径，并且所述气体入口端口与所述中间通道的所述第二部分与第三部分之间的过渡部分间隔第一距离，其中所述第一距离等于或小于所述气体入口端口的直径的两倍。

5.根据权利要求1所述的混合喷射器，其中所述涡流挡板包括扭转成类似于螺丝锥的扁平元件。

6.根据权利要求1所述的混合喷射器，所述喷射器主体还包括第一端和第二端，所述第一端包括用于接合气体焊炬头部中的对应螺纹的螺纹，所述第二端为大体上圆柱形的并且被设定尺寸以便以与混合氧气管的内部直径紧密贴合的方式被接纳。

7.根据权利要求1所述的混合喷射器，其中所述中间通道的所述第一部分与所述第二部分之间的过渡部分包括具有一定倒角角度的第一倒角。

8.根据权利要求7所述的混合喷射器，其中所述中间通道的所述第二部分与所述第三部分之间的过渡部分包括具有所述倒角角度的第二倒角。

9.一种气体焊炬，其包括：

焊炬头部、切割氧气管、混合氧气管和燃料气体管；以及

混合喷射器，所述混合喷射器包括在第一端处联接到所述焊炬头部并且在第二端处联接到所述混合氧气管的喷射器主体，所述喷射器主体包括：

在所述喷射器主体的第一端与第二端之间延伸的中间通道，所述中间通道的包围涡流挡板的第一部分；

所述中间通道的包括喷射器孔口的第二部分；

所述中间通道的包括混合室的第三部分，所述第三部分的直径大于所述第二部分的直径；以及

从所述混合室延伸到所述燃料气体管的气体入口端口，所述气体入口端口用于接纳来自所述燃料气体管的燃料气体并且用于将所述燃料气体导向到所述混合室，所述气体入口端口包括形成在焊炬头部内的位于所述喷射器主体和混合氧气通道之间的腔室，所述腔室在从所述喷射器主体外部延伸的环形凸缘和所述喷射器主体与所述混合氧气通道的接合位置之间围绕所述混合室的外部环形地延伸并沿着所述混合室的外部轴向地延伸。

10.根据权利要求9所述的气体焊炬，其中所述气体入口端口具有端口直径，并且所述气体入口端口与所述中间通道的所述第二部分与第三部分之间的过渡部分间隔第一距离，其中所述第一距离等于或小于所述端口直径的两倍。

11.根据权利要求9所述的气体焊炬，其中所述气体入口端口包括围绕所述喷射器主体的圆周均匀间隔的多个气体入口端口。

12.根据权利要求9所述的气体焊炬，其中所述焊炬头部包括燃料气体端口，所述燃料气体端口具有与所述燃料气体管流体连通的第一部分，所述燃料气体端口具有与所述喷射器主体的所述气体入口端口流体连通的第二部分。

13.根据权利要求12所述的气体焊炬，其中所述燃料气体端口的第一部分的直径大于所述燃料气体端口的第二部分的直径。

14.根据权利要求9所述的气体焊炬，所述喷射器主体还包括第一端和第二端，所述第一端包括用于接合气体焊炬头部中的对应螺纹的螺纹，所述第二端为大体上圆柱形的并且被设定尺寸以便以与混合氧气管的内部直径紧密贴合的方式被接纳。

15.根据权利要求9所述的气体焊炬，其中所述中间通道的所述第二部分与所述第三部分之间的过渡部分包括倒角。

16.一种用于在气体焊炬头部内混合气体的方法，所述方法包括：

递送第一气体穿过涡流挡板，所述涡流挡板被定位成直接邻近所述气体焊炬头部；

将所述第一气体从所述涡流挡板递送到喷射器孔口中；以及

将所述第一气体从所述喷射器孔口递送到混合室中，所述混合室的直径大于所述喷射器孔口的直径；

其中将所述第一气体从所述喷射器孔口递送到所述混合室中形成压力梯度，所述压力梯度吸引第二气体穿过气体端口进入所述混合室，所述气体端口包括形成在焊炬头部内的位于喷射器主体和混合氧气通道之间的腔室，所述腔室在从所述喷射器主体外部延伸的环形凸缘和所述喷射器主体与所述混合氧气通道的接合位置之间围绕所述混合室的外部环形地延伸并沿着所述混合室的外部轴向地延伸。

17.根据权利要求16所述的方法，其中递送第一气体穿过所述涡流挡板包括将来自氧气源的预热氧气导向穿过与所述涡流挡板流体连通的混合氧气管。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二气体是燃料气体，并且所述压力梯度包括所述混合室中的第一压力和所述气体端口中的第二压力，所述第一压力低于所述第二压力。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一气体是氧气，并且所述第二气体选自由乙炔、天然气、丙烷、丙烯组成的列表。

20.根据权利要求16所述的方法，其包括将所述第一气体与所述第二气体在所述混合室中混合。

21.根据权利要求20所述的方法，其还包括将所混合的第一气体和第二气体与所述焊炬头部中供应的切割气体结合。