CN105750273A - 一种基于曲面反射镜的管道激光清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置，包括中心均位于同一条直线上的激光器、透镜系统、曲面全反射镜和电机；激光器与透镜系统相隔一定距离，使得激光器出射的激光被透镜系统准直，经透镜系统准直的光变为圆环状平行光，并平行入射到曲面全反射镜上；曲面反射镜与电机的丝杆相连，使其当丝杆顺时针旋转时，曲面全反射镜沿第一方向运动，当丝杆逆时针旋转时，曲面全反射镜沿第二方向运动。本发明通过光学整形系统和使用抛物面反射镜使得出射激光的焦点在管道表面上，从而较小的平均功率就可以获得较大的单位面积功率，使污染物瞬间蒸发、气化或分解，从而减小了热传导损耗。出射激光是环形聚焦光，对管道清洗效率高。

Description

一种基于曲面反射镜的管道激光清洗装置

技术领域

本发明属于激光清洗技术领域，更具体地，涉及一种基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置。

背景技术

传统的清洗方法主要有4类：高压水清洗法、机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法。这些清洗方法主要是用来清除以锈迹和油脂为主的混有颗粒的表面污染物，在很大程度上满足了现有工业生产和日常生活中的需求。

然而传统的清洗方法通常伴随着高污染，高消耗，清洗效率低，甚至有可能会损伤需要清洗的设备。在环境保护和高精度的要求下，清洗技术的应用受到很大的限制，也给世界范围内清洗业的发展带来了巨大的挑战，同时也带来了前所未有的机遇。近来，人们一直在研究开发各种新的有利于环境保护的清洗技术，激光清洗技术就是其中之一。激光清洗技术是工业清洗技术原理的一场革命，它具有节能环保效率高精度高等传统清洗技术所无法比拟的优势。

可是现有的激光清洗设备主要用于清洗设备的外表面，对于管道的内部不能清洗，同时对于圆柱面的清洗不能一次到位，需要多次来回清洗，降低清洗效率和质量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可清洗管道的激光清洗设备，旨在解决现有技术中清洗设备无法清洗管道表面，容易损伤管道，清洗速度慢，效率低，耗能多的技术问题。

本发明提供了一种基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置，包括中心均位于同一条直线上的激光器、透镜系统、曲面全反射镜和电机；所述激光器与所述透镜系统间隔一定距离，使得激光器出射的激光被所述透镜系统准直，经所述透镜系统准直的光变为圆环状平行光，并平行入射到所述曲面全反射镜上；所述曲面反射镜与所述电机的丝杆相连，使其当丝杆顺时针旋转时，所述曲面全反射镜沿第一方向运动，当丝杆逆时针旋转时，所述曲面全反射镜沿第二方向运动；所述第一方向是指所述曲面反射镜中心到所述激光器中心的方向，所述第二方向是指与所述第一方向相反的方向。

更进一步地，曲面全反射镜的反射面形状是由一段抛物线360°旋转而成，而抛物线焦点位于待清洗的管道的内表面或外表面。

更进一步地，工作时，激光的能量聚焦到待清洗的管道的内表面或外表面，在焦点附近产生高温使污垢瞬间蒸发、气化或分解。

更进一步地，所述电机驱动丝杆顺时针旋转，带动曲面反射镜沿第一方向运动，从而使得焦点向第一方向移动，当运动到管道出口处时，电机驱动丝杆逆时针旋转，并带动曲面反射镜向第二方向运动，即原路返回，实现二次清洗管道。

更进一步地，所述曲面全反射镜包括：前表面、后表面和侧表面；在所述侧表面上镀有全反膜，且所述前表面和后表面都不做处理；所述前表面和所述后表面为平行的环形面。

更进一步地，所述管道激光清洗装置还包括一滚动轴，与所述曲面全反射镜的所述后表面相连；且在所述曲面全反射镜沿轴心方向设置有一个和所述电机丝杆配套的所述螺纹孔，使得当丝杆顺时针旋转时所述曲面反射镜向第一方向移动，当丝杆逆时针旋转时所述曲面全反射镜向第二方向移动。

更进一步地，所述曲面全反射镜包括：前表面、后表面和侧表面；所述前表面为曲面方程所确定的面，所述侧表面为圆柱面，所述后表面为环形面，所述侧表面与后表面相互垂直；在所述前表面上镀有全反膜，且在所述侧表面和所述后表面均不做处理。

更进一步地，所述管道激光清洗装置还包括连接件，与所述曲面全反射镜的所述侧表面相连；且在所述连接件上有与丝杆配套的螺纹，使得丝杆顺时针旋转时曲面全反射镜向第一方向移动，丝杆逆时针旋转时曲面全反射镜向第二方向移动。

更进一步地，所述曲面反射镜设置在抽气道离石油管道第二方向出口200mm～300mm处，使得所述曲面反射镜的焦点初始位置在石油管道第二方向出口处，从而能够清洗整个管道。

本发明具备以下优点：

(1)不需要化学溶液，因此没有化学清洗产生的环境污染问题；能有效清除微米级及更小尺寸的污染微粒；与管道不接触，不会损伤管道；可以长期稳定地使用，一般只需要电费和维护费用，运行成本低，而且可以方便地实现自动化操作。

(2)激光加热使污染物蒸发、气化或分解从而达到清洗的目的，根据不同污染物气化所吸收的能量的区别，来改变激光的功率，因此能清除材料表面的不同类型的污染物，达到很高的洁净度。

(3)出射的激光是环形光，随着电机的运动能够清洗圆柱面，能够清洗其他设备不能清洗的管道内表面和外表面，清洗效率高。

(4)通过光学整形系统和使用抛物面反射镜使得出射激光的焦点位于管道表面，从而使得较小的平均功率就能获得大的单位面积功率，使污染物瞬间蒸发、气化或分解，从而减小了热传导损耗。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置示意图；

图2是本发明第一实施例提供的基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置中曲面反射镜的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置的结构示意图；

图4是本发明第二实施例提供的基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置中曲面反射镜的结构示意图；

图5是本发明第二实施例提供的基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为激光器，2为透镜系统，3为管道，4为曲面全反射镜，5为电机，6为抽气道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的管道激光清洗设备中，曲面全反射镜的反射面由一段抛物线旋转而成，其焦点在管道内表面或外表面上，激光器发出激光经过光束整形透镜系统而产生光斑为环状的光束，光束平行入射到反射镜表面，会在管道的内表面或外表面聚焦，聚焦的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解，抛物镜随着电机的转动而向前移动，聚焦面也不断向前移动，从而清洗整个管道。

本发明提供了一种管道激光清洗装置。包括激光器1，透镜系统2，曲面全反射镜4、电机5。激光器1，透镜系统2、曲面型全反射镜4和电机5中心在同一条直线上，定义以曲面反射镜4中心到激光器1中心为第一方向，反向为第二方向。曲面反射镜4与电机5的丝杆相连，使其当丝杆顺时针旋转时，曲面全反射镜4沿第一方向运动，当丝杆逆时针旋转时，曲面全反射镜4沿第二方向运动。激光器1距透镜系统2一定距离，使得激光器出射的具有一定发散角的激光能够被透镜系统2准直，透镜系统2由一片透镜或多片透镜组成，根据所需能量密度确定，经过透镜系统2准直的光变为圆环状平行光，平行入射到曲面全反射镜4上，曲面全反射镜4的反射面形状是由一段抛物线360°旋转而成，而抛物线焦点又在管道3的内表面或外表面，因此激光的能量聚焦到管道3的内表面或外表面，在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解，同时电机5驱动丝杆顺时针旋转，带动曲面反射镜4沿第一方向运动，从而使得焦点向第一方向移动，当运动到管道3出口处时，电机5驱动丝杆逆时针旋转，带动曲面反射镜4向第二方向运动，即原路返回，可以二次清洗管道，也可以关掉激光器返回，移除设备。

透镜系统2可由一块凸透镜或多块透镜组成，可根据实际要求确定，如需最后经过曲面镜聚焦到石油内管道光斑面积小，单位面积能量高，可使用多片透镜组合，多片透镜比单片透镜能够更好准直，光斑面积小，因此使用多片透镜可得到更高的激光功率密度，从而使得污垢能够快速的气化，效率高质量好，但多片透镜成本高，因此可综合考虑。

实施例1

如图1所示，激光器1，透镜系统2、曲面型全反射镜4中心在同一条直线上，以曲面反射镜4中心到激光器1中心为第一方向，反向为第二方向。曲面反射镜4与电机5的丝杆相连，使其当丝杆顺时针旋转时，曲面全反射镜4沿第一方向运动，当丝杆逆时针旋转时，曲面全反射镜4沿第二方向运动。激光器1距透镜系统2一定距离，使得激光器1出射的具有一定发散角的激光能够被透镜系统2准直，透镜系统2由一片透镜或多片透镜组成，根据所需能量密度确定，经过透镜系统2准直的光变为圆环状平行光，平行入射到曲面全反射镜4上，曲面全反射镜4的反射面是由抛物线360°旋转而成，而抛物线焦点又在管道3的内表面，因此激光的能量聚焦到管道的内表面，在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解，同时电机5驱动丝杆顺时针旋转，带动曲面反射镜4沿第一方向运动，从而使得焦点向第一方向移动，当运动到管道出口处时，电机5驱动丝杆逆时针旋转，带动曲面反射镜4向第二方向运动，即原路返回，可以二次清洗管道，也可以关掉激光器1返回，移除设备。清洗所产生的废气经抽气管道由抽气机吸走，冷却后能够收集起来，统一处理，从而对环境不造成污染。由于曲面镜焦点在曲面镜前方200mm～300mm处，因此曲面镜初始位置在石油管道第二方向出口处时，石油管道第二方向出口处会有200mm～300mm长度的管道不能清洗，要清洗这个部位，同时在不损伤石油管道的情况下要抽取废气，抽气道内径要与石油管道的内径相同，长度大于400mm，抽气道与石油管道紧密连接，曲面反射镜能够在两者之间顺利的移动。安装设备时曲面反射镜能够先安装在抽气道离石油管道第二方向出口200mm～300mm处，使得曲面反射镜的焦点初始位置在石油管道第二方向出口处，从而能够清洗整个管道，在抽气道侧面挖一抽气孔，抽气机连接抽气口，吸收产生的废气。

清洗管道内部，当石油管道的内半径为R时，抛物线的焦点距离中心轴的距离也为R。为避免污垢蒸发、气化或分解后又在曲面全反射镜4上冷却，污染反射镜，从而不能继续清洗反射镜，必须使得焦点距曲面最前端距离P大于200mm，又因为焦距过大，曲面全反射镜制造复杂，焦点距曲面最前端距离P又不能大于300mm，所以取200≤P≤300。取三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)，(x,y,z)为坐标系上一点，综合考虑，我们取抛物线方程为(y-R)²＝-4*Pz；曲线绕z轴旋转一圈后，曲面方程为：且由此确定曲面全反射镜反射面曲面方程。

如图2所示，曲面全反射镜4有前表面40、后表面41和侧表面42，起反射激光作用的是侧表面42，因此在侧表面42镀上全反膜，使得入射到侧表面42上的激光能够被全反射，曲面全反射镜4的前表面40和后表面41都不做处理。前表面40和后表面41是平行的环形面，曲面全反射镜4沿轴心方向挖一个和电机5丝杆配套的螺纹孔，使得丝杆顺时针旋转时，曲面反射镜4能够向第一方向移动，丝杆逆时针旋转时，曲面全反射镜4能够向第二方向移动。

为使曲面全反射镜4能够顺利的在石油内管道5顺利的滑动和起到较好的支撑作用曲面全反射镜4需连接一滚动轴，滚动轴与曲面镜后表面相连，同时为使气化的污垢能够顺利的通过抽气机抽出，采用钢珠镶嵌在滚动轴柱面上，因此，既保留了通气道，也保证了足够的支撑，钢珠均匀分布在柱面上，本例采用6个钢珠，根据实际要求可以增加或者减少。

透镜系统2可由一块凸透镜或多块透镜组成，可根据实际要求确定，如需最后经过曲面全反射镜4聚焦到石油内管道光斑面积小，单位面积能量高，可使用多片透镜组合，多片透镜比单片透镜能够更好准直，光斑面积小，因此使用多片透镜可得到更高的激光功率密度，从而使得污垢能够快速的气化，效率高质量好，但多片透镜成本高，因此可综合考虑。

如图3所示，以曲面全反射镜4中心到激光器1中心为第一方向，反向为第二方向，激光器1发出具有一定发射角的激光，入射到透镜系统2上，经过透镜系统2准直滤光变为环形平行光，环形平行光入射到曲面全反射镜4侧表面42上，由侧表面42反射聚焦到管道3的内表面，在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解，产生的废气经抽气通道由抽气机抽出，同时电机5驱动丝杆转动使得曲面全反射镜4向第一方向移动，焦点也向第一方向移动，继续清洗管道3，当曲面全反射镜4从管道3的一端到另一端，一次清洗完成，电机5反转，曲面全反射镜向第二方向运功时，可继续清洗。根据洁净要求，可重复往返几次清洗，从而达到较好的清洗效果。

实施例2

激光器1，透镜系统2、曲面型全反射镜4中心在同一条直线上，以曲面全反射镜4中心到激光器1中心为第一方向，反向为第二方向。曲面全反射镜4与电机5相连，使其当电机驱动丝杆顺时针旋转时，曲面全反射镜4沿第一方向运动，当电机驱动丝杆逆时针旋转时，曲面全反射镜4沿第二方向运动。激光器1位于透镜系统2一定距离，使得激光器1出射的具有一定发散角的激光能够被透镜系统2准直，透镜系统2由一片透镜或多片透镜组成，根据所需能量密度确定，经过透镜系统2准直的光变为圆环状平行光，平行入射到曲面全反射镜4上，曲面全反射镜4的反射面是由抛物线360°旋转而成，而抛物线焦点又在管道3的外表面，因此激光的能量聚焦到管道3的外表面，在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解，同时电机5驱动丝杆顺时针旋转，带动曲面全反射镜4沿第一方向运动，从而使得焦点向第一方向移动，当运动到管道3出口处时，电机5驱动丝杆逆时针旋转，带动曲面全反射镜4向第二方向运动，即原路返回，可以二次清洗管道3，也可以关掉激光器1返回，移除设备。

清洗管道外部，当管道的外半径为R时，抛物线的焦点距离管道的外表面的距离也为R。为避免污垢蒸发、气化或分解后又在曲面全反射镜上冷却，污染反射镜，从而不能继续清洗反射镜，必须使得焦点距曲面最前端距离P大于200mm，又因为焦距过大，曲面镜制造复杂，焦点距曲面最前端距离P又不能大于300mm，所以取200≤P≤300。取三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)，(x,y,z)为坐标系上一点，综合考虑，我们取一例抛物线方程为(y-R)²＝-4*Pz，曲线绕Z轴旋转一圈后，曲面方程为：由此确定反射镜反射面曲面方程。

如图4所示，曲面反射镜4有前表面40、后表面41和侧表面42，前表面40为曲面方程所确定的面，侧表面42为圆柱面，后表面41为环形面，侧表面与后表面相互垂直。起反射激光作用的是前表面40，因此在前表面40镀上全反膜，使得入射到前表面40上的激光能够被全反射，曲面镜的侧表面42和后表面41都不做处理。侧表面42与连接件连接，连接件上有与丝杆配套的螺纹，使得丝杆顺时针旋转时，曲面全反射镜4能够向第一方向移动，丝杆逆时针旋转时，曲面全反射镜4能够向第二方向移动。

为使曲面全反射镜4能够顺利的在管道3外表面上顺利的滑动和起到较好的支撑作用，采用钢珠镶嵌在曲面全反射镜4内孔面上，使得曲面全反射镜4能够在管道3的外部滑动，钢珠均匀分布在柱面上，本例采用6个钢珠，根据实际要求可以增加或者减少。

如图5所示，以曲面全反射镜4中心到激光器1中心为第一方向，反向为第二方向，曲面全反射4镜通过一连接部件与电机5丝杆连接，激光器发出具有一定发射角的激光，入射到透镜系统2上，经过透镜系统2准直滤光变为环形平行光，环形平行光入射到曲面全反射镜侧表面42上，反射聚焦到管道3的外表面，在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于曲面全反射镜的管道激光清洗装置，其特征在于，包括中心均位于同一条直线上的激光器(1)，透镜系统(2)，曲面全反射镜(4)和电机(5)；

所述激光器(1)距所述透镜系统(2)一定距离，使得所述激光器(1)出射的激光被所述透镜系统(2)准直，经所述透镜系统(2)准直的光变为圆环状平行光，并平行入射到所述曲面全反射镜(4)上；所述曲面反射镜(4)与所述电机(5)的丝杆相连，使其当丝杆顺时针旋转时，所述曲面全反射镜(4)沿第一方向运动，当丝杆逆时针旋转时，所述曲面全反射镜(4)沿第二方向运动；

所述第一方向是指所述曲面反射镜(4)中心到所述激光器(1)中心的方向，所述第二方向是指与所述第一方向相反的方向。

2.如权利要求1所述的管道激光清洗装置，其特征在于，曲面全反射镜(4)的反射面形状是由一段抛物线360°旋转而成，而抛物线焦点位于待清洗的管道(3)的内表面或外表面。

3.如权利要求2所述的管道激光清洗装置，其特征在于，工作时，激光的能量聚焦到待清洗的管道(3)的内表面或外表面，在焦点附近产生高温使污垢瞬间蒸发、气化或分解。

4.如权利要求3所述的管道激光清洗装置，其特征在于，所述电机(5)驱动丝杆顺时针旋转，带动曲面反射镜(4)沿第一方向运动，从而使得焦点向第一方向移动，当运动到管道(3)出口处时，电机(5)驱动丝杆逆时针旋转，并带动曲面反射镜(4)向第二方向运动，即原路返回，实现二次清洗管道。

5.如权利要求1所述的管道激光清洗装置，其特征在于，所述曲面全反射镜(4)包括：前表面(40)、后表面(41)和侧表面(42)；

在所述侧表面(42)上镀有全反膜，且所述前表面(40)和后表面(41)都不做处理；所述前表面(40)和所述后表面(41)为平行的环形面。

6.如权利要求5所述的管道激光清洗装置，其特征在于，所述管道激光清洗装置还包括一滚动轴，与所述曲面全反射镜(4)的所述后表面(41)相连；且在所述曲面全反射镜(4)沿轴心方向设置有一个和所述电机(5)丝杆配套的所述螺纹孔，使得当丝杆顺时针旋转时所述曲面反射镜(4)向第一方向移动，当丝杆逆时针旋转时所述曲面全反射镜(4)向第二方向移动。

7.如权利要求1所述的管道激光清洗装置，其特征在于，所述曲面全反射镜(4)包括：前表面(40)、后表面(41)和侧表面(42)；

所述前表面(40)为曲面方程所确定的面，所述侧表面(42)为圆柱面，所述后表面(41)为环形面，所述侧表面(42)与后表面(41)相互垂直；

在所述前表面(40)上镀有全反膜，且在所述侧表面(42)和所述后表面(41)均不做处理。

8.如权利要求7所述的管道激光清洗装置，其特征在于，所述管道激光清洗装置还包括连接件，与所述曲面全反射镜(4)的所述侧表面(42)相连；且在所述连接件上有与丝杆配套的螺纹，使得丝杆顺时针旋转时曲面全反射镜(4)向第一方向移动，丝杆逆时针旋转时曲面全反射镜(4)向第二方向移动。

9.如权利要求5或7所述的管道激光清洗装置，其特征在于，所述曲面反射镜(4)设置在抽气道离石油管道第二方向出口200mm～300mm处，使得所述曲面反射镜(4)的焦点初始位置在石油管道第二方向出口处，从而能够清洗整个管道。