CN107626463B - 一种基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于射流清洗技术领域，公开了一种基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统，用于解决现有射流喷嘴存在着空化能力不足以及空化射流不均匀而导致空化清洗效果差的问题。本发明的基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统，利用引流空化吸入主动控制与脉冲激励控制对空化过程进行干预，提高空化射流中的空泡密度以及射流均匀性；同时中心体的设置使射流的空化能力增强；通过围压射流孔对空化射流形成围压，进一步提高射流的打击力和射流距离。三种空化方式同时在喷嘴内产生，使得射流内部的空泡数量增加并且混合均匀，从而提高空化能力和空化射流的均匀性，在提升清洗效率和清洗效果的同时降低能耗。

Description

一种基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统

技术领域

本发明属于射流清洗技术领域，具体涉及一种基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统，用于轨道车辆、汽车、船底生物等等清洗场所。

背景技术

在现代工业生产中，经常会在设备零件表面产生油渍、锈蚀物、沉积物等污垢。这些污垢的存在严重影响到生产活动，高效的清洗手段在工业生产中必不可少。零件设备的清洗主要有化学清洗和物理清洗，由于化学清洗对零件有损伤，同时对环境的污染较大，因此研发具有高效率、低能耗，以及具有良好清洁效果的物理清洁设备是清洗技术的发展方向。

例如轨道车辆需要进行周期检修，其关键零部件需要在检修过程中进行除锈和油污清除等清洁工作，清洁后的洁净度要求较高。其中，大多数零部件具有不规则表面形状并且有多内孔流道，比如120阀等。目前，该类零部件的主要物理清洁手段包括人工刷洗、高压水清洗和超声波清洗等，不同的清洁技术特点各异，在清洁效率、清洁效果和能耗环境影响等方面差异较大，研发具有高效率、节能环保及良好清洁效果的清洁装备是该类零部件的清洁技术发展方向。

目前，高压水清洗技术在除锈、去除油污以及垢类污染物方面有良好的表现，由于其采用的原料是水，因此也是一种环保的清洗方式。但是，高压水清洗的效果在随着压力升高的同时，设备寿命、清洗成本等也会提高。为了提高水清洗设备的功率密度和清洗效果，基于空化现象而提出的空化射流清洗技术应运而生，在相同的压力条件下，经由空化射流中空泡的产生与溃灭来的高温高压，空化射流清洗技术具有更好的清洗效果。或者说，在相同的清洗效果下，空化射流清洗可以较大减少冲洗压力级别。因此，空化射流技术近年来得到大力研发及应用。

空化射流喷嘴基本原理都是：当水流通过喷嘴狭窄部分时，由文丘里管效应可知，流速增加，压力减小，气流与水流在喷嘴内形成气核，然后发育，膨胀到空化。

例如申请号为201120019897 .4的发明专利公开了一种空化水射流喷嘴，前喷嘴与枪管连接，前喷嘴与后喷嘴之间有相互连通的水入口腔，气入口腔和空化腔，水入口腔与空化腔同轴，气嘴上的气入口腔的气出口轴线与空化腔的轴线成夹角，水入口腔的腔体从入口依次有第一圆柱体、第一圆锥体、第二圆柱体。该喷嘴通入的水流能够产生空化，并惨入气体激发空化。

正如上面讲述的现有的空化射流喷嘴存在着空化手段单一，主要依靠喷嘴本身结构得到空化射流，导致空化能力不足、空化射流不均匀的问题，极大的限制了空化清洗的效果。

发明内容

本发明为了解决现有空化射流喷嘴存在着空化能力不足以及空化射流不均匀而导致空化清洗效果差的问题，而提供一种基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统，采用主动控制和复合脉冲的方式，提高空化射流的主动控制能力、射流均匀性以及打击强度，从而提高空化射流的清洗效果。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于主动控制的空化射流清洗喷嘴，包括喷嘴本体，喷嘴本体的一端为进水腔，喷嘴本体的另一端为出水腔，进水腔和出水腔之间连通有流通通道，流通通道的内径小于进水腔的内径，所述喷嘴本体开设有与流通通道连通并用于与外部的气源连通的气流通道，其特征在于，所述喷嘴本体上开设有用于与出水腔连通并与外部的压力脉动源连通的脉冲射流通道。

所述出水腔的外围开设有围压通道；所述围压通道的出水口与出水腔相互平行。

所述流通通道内还设置有中心体，所述中心体位于气流通道与出水腔之间的流通通道内。

本发明还提供一种基于主动控制的空化射流清洗系统，包括清洗喷嘴，清洗喷嘴包括喷嘴本体，喷嘴本体的一端为进水腔，喷嘴本体的另一端为出水腔，进水腔和出水腔之间连通有流通通道，流通通道的内径小于进水腔的内径，所述喷嘴本体开设有与流通通道连通的气流通道，其特征在于，所述气流通道连通有密封水箱，气流通道与密封水箱的出水口连通，所述密封水箱的进水口连通有进水管道，密封水箱的进水口流量低于密封水箱出水口流量，所述进水管道上安装有用于调节密封水箱进水口与出水口的流量差的节流阀；所述喷嘴本体上开设有用于与出水腔连通并的脉冲射流通道，所述脉冲射流通道连通有用于向出水腔内输入脉冲水流的压力脉动源；所述出水腔的外围开设有围压通道，所述围压通道连通有向围压通道输入水流的管道。

所述围压通道的出水口与出水腔相互平行。

所述流通通道内还设置有中心体，所述中心体位于气流通道与出水腔之间的流通通道内。

本发明的基于主动控制的空化射流清洗系统还包括定量泵，所述定量泵经管道与喷嘴本体的进水腔连通，所述定量泵与进水腔之间的管道上还连接有第一减压阀；所述密封水箱的进水管连通在第一减压阀与进水腔之间的管道上。

所述围压通道经管道与定量泵连通，所述围压通道与定量泵之间的管道上设置有第二减压阀。作为本发明一种优选的方式，所述第一减压阀和第二减压阀均选用先导型减压阀。

所述压力脉动源包括与定量泵连通的蓄能器，蓄能器与定量泵之间的管道上设置有第一开关阀，蓄能器与脉冲射流通道之间的管道上设置有第二开关阀。作为本发明一种优选的方式，第一开关阀和第二开关阀均选用高速开关阀。

本发明的密封水箱的外围设置有加热器，通过加热器对密封水箱内产生的水蒸气进行加热，从而进一步提高空化效率。

本发明提供的喷嘴和系统的原理为：

当水流通过喷嘴狭窄部位(流通通道)时，由文丘里管效应可知，流速增加，压力减少，密封水箱内的水被喷嘴本体吸出，调节密封水箱的进口流量低于出口流量，密封水箱内产生真空，水汽化为水蒸汽，喷嘴本体吸入密封水箱内的水蒸气在水流内形成气核，然后发育、膨胀到空化。射流内气泡数量决定了空化率，因此通过密封水箱进出口流量进行主动控制和对引流压力匹配就是对喷嘴本体吸入气泡数量的控制，从而完成对空化产生进行主动控制。作为本发明一种优选的方式，还可以通过对密封水箱内的水进行加热，产生温度更高的水蒸气，当热气进行喷嘴内更加利用空化产生。

本发明以文丘里管为基础，为产生固壁型空化提供条件；通过增加中心体，为产生旋涡型空化提供条件；同时发明通过引入压力脉动源，从而为产生振荡型空化提供条件。本发明通过将三种空化方式同时在喷嘴内产生，使得射流内部的空泡数量增加并且混合均匀，从而提高空化能力和空化射流的均匀性，最终达到提高清洗效果的目的。

同时在开设的围压通道，通过比例控制进入围压通道的水压对出水腔的水流形成围压，为射流提供持续激励动力，有效提高射流距离和射流打击力。

压力脉动源的周期性激励能够使得射流内的空泡振荡均匀，并且压力脉动源的压力脉冲正峰值瞬时能够使射流内的部分空泡被击溃，水温进一步提高，增加气泡流的速度，射流打击力也随之提高；而压力脉冲负峰值时使射流中某些点上的压强低于产生空化的临界压强的概率增加，促使更多空泡产生，增加射流速度，进一步提高射流的打击力。

综上所述，与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明的基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统，利用引流空化吸入主动控制与脉冲激励控制对空化过程进行干预，提高空化射流中的空泡密度以及射流均匀性；同时中心体的设置使射流的空化能力增强；通过围压射流孔对空化射流形成围压，进一步提高射流的打击力和射流距离。三种空化方式同时在喷嘴内产生，使得射流内部的空泡数量增加并且混合均匀，从而提高空化能力和空化射流的均匀性；在提升清洗效率和清洗效果的同时降低了能耗。

附图说明

图1为本发明基于主动控制的空化射流清洗喷嘴一实施例的结构示意图；

图2为本发明基于主动控制的空化射流清洗系统一实施例的结构示意图；

图中标记：1、水箱，2、定量泵，3、溢流阀，4、第一减压阀，5、第二减压阀，6、第一开光阀，7、蓄能器，8、第二开关阀，9、清洗喷嘴，91、喷嘴本体，92、进水腔，93、流通通道，94、出水腔，95、气流通道，96、脉冲射流通道，97、围压通道，10、中心体，11、旋转工作台，12、空气过滤器，13、除油器，14、节流阀，15、密封水箱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

结合附图，本发明的基于主动控制的空化射流清洗喷嘴，包括喷嘴本体91，喷嘴本体91的一端为进水腔92，喷嘴本体91的另一端为出水腔94，进水腔92和出水腔94之间连通有流通通道93，流通通道93的内径小于进水腔92的内径，同时流通通道93的内径小于出水腔94的内径，所述喷嘴本体91开设有与流通通道93连通并用于与外部的气源连通的气流通道95，所述喷嘴本体91上开设有用于与出水腔94连通并与外部的压力脉动源连通的脉冲射流通道96，所述出水腔94的外围开设有围压通道97。

作为本发明一种优选的方式，围压通道97的出水口与出水腔94相互平行。

所述流通通道93内还设置有中心体10，所述中心体10位于气流通道95与出水腔94之间的流通通道93内。

本发明还提供一种基于主动控制的空化射流清洗系统，包括清洗喷嘴9，清洗喷嘴9包括喷嘴本体91，喷嘴本体91的一端为进水腔92，喷嘴本体91的另一端为出水腔94，进水腔92和出水腔94之间连通有流通通道93，流通通道93的内径小于进水腔的内径；所述喷嘴本体91开设有与流通通道93连通的气流通道95，所述气流通道95连通有密封水箱15，气流通道93与密封水箱15的出水口连通，所述密封水箱15的进水口连通有进水管道，密封水箱的进水口流量低于密封水箱出水口流量，所述进水管道上安装有用于调节密封水箱15进水口与出水口的流量差的节流阀14；所述喷嘴本体91上开设有用于与出水腔94连通并的脉冲射流通道96，所述脉冲射流通道96连通有用于向出水腔94内输入脉冲水流的压力脉动源；所述出水腔94的外围开设有围压通道97，所述围压通道97连通有向围压通道97输入水流的管道。

作为本发明一种优选的方式，所述围压通道97的出水口与出水腔94相互平行。

所述流通通道93内还设置有中心体10，所述中心体10位于气流通道95与出水腔94之间的流通通道93内。

本发明的基于主动控制的空化射流清洗系统还包括定量泵2，所述定量泵2经管道与喷嘴本体91的进水腔92连通，所述定量泵2与进水腔92之间的管道上还连接有第一先减压阀4；所述密封水箱15的进水管道连通在第一减压阀4与进水腔92之间的管道上。

所述围压通道97经管道与定量泵2连通，所述围压通道97与定量泵2之间的管道上设置有第二减压阀5。

作为本发明一种优选的方式，所述第一减压阀4和第二减压阀5均选用先导型减压阀。

所述压力脉动源包括与定量泵2连通的蓄能器7，蓄能器7与定量泵2之间的管道上设置有第一开关阀6，蓄能器7与脉冲射流通道96之间的管道上设置有第二开关阀8。作为本发明一种优选的方式，第一开关阀6和第二开关阀8均选用高速开关阀。即是说，第一减压阀4、第二减压阀5和第一开关阀6并联连接在定量泵2的出水管道上，定量泵2的进水管道伸入水箱1中。

作为本发明的清洗系统一种优选的方式，定量泵2的出水管道上还连通有溢流阀3，溢流阀3的出水口与水箱1连通；优选的，溢流阀选用先导型溢流阀。

其中本系统的第一开关阀6、第二开关阀8和节流阀14电连接有电子控制单元(ECU)，通过电子控制单元对第一开关阀、第二开关阀8和节流阀进行自动控制，从而实现自动调节，提高本发明的自动化程度。

本发明的密封水箱15的外围设置有加热器，通过加热器对密封水箱内产生的水蒸气进行加热，从而进一步提高空化效率。

本发明提供的喷嘴和系统的原理为：

当水流通过喷嘴狭窄部位(流通通道)时，由文丘里管效应可知，流速增加，压力减少，密封水箱内的水被喷嘴本体吸出，调节密封水箱的进口流量低于出口流量，密封水箱内产生真空，水汽化为水蒸汽，喷嘴本体吸入密封水箱内的水蒸气在水流内形成气核，然后发育、膨胀到空化。射流内气泡数量决定了空化率，因此通过密封水箱进出口流量进行主动控制和对引流压力匹配就是对喷嘴本体吸入气泡数量的控制，从而完成对空化产生进行主动控制。作为本发明一种优选的方式，还可以通过对密封水箱内的水进行加热，产生温度更高的水蒸气，当热气进行喷嘴内更加利用空化产生。

本发明以文丘里管为基础，为产生固壁型空化提供条件；通过增加中心体，为产生旋涡型空化提供条件；同时发明通过引入压力脉动源，从而为产生振荡型空化提供条件。本发明通过将三种空化方式同时在喷嘴内产生，使得射流内部的空泡数量增加并且混合均匀，从而提高空化能力和空化射流的均匀性，最终达到提高清洗效果的目的。

同时在开设的围压通道，通过比例控制进入围压通道的水压对出水腔的水流形成围压，为射流提供持续激励动力，有效提高射流距离和射流打击力。

压力脉动源的周期性激励能够使得射流内的空泡振荡均匀，并且压力脉动源的压力脉冲正峰值瞬时能够使射流内的部分空泡被击溃，水温进一步提高，增加气泡流的速度，射流打击力也随之提高；而压力脉冲负峰值时使射流中某些点上的压强低于产生空化的临界压强的概率增加，促使更多空泡产生，增加射流速度，进一步提高射流的打击力。

现有技术中的空化射流喷嘴在使用过程中，由于喷嘴的形状和结构一旦确定，水流内的空化程度就随之确定，因此空化程度就无法改变，而本发明通过气流通道与密封水箱的配合，加上对蓄能器的主动控制，三种空化方式同时在喷嘴内产生，使得射流内部的空泡数量增加并且混合均匀，从而提高空化能力和空化射流的均匀性；在提升清洗效率和清洗效果的同时降低了能耗。同时还能够对空化程度进行主动控制，以满足不同的使用场合的使用。

综上所述，本发明的基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统，利用引流空化吸入主动控制与脉冲激励控制对空化过程进行干预，提高空化射流中的空泡密度以及射流均匀性；同时中心体的设置使射流的空化能力增强；通过围压射流孔对空化射流形成围压，进一步提高射流的打击力和射流距离。三种空化方式同时在喷嘴内产生，使得射流内部的空泡数量增加并且混合均匀，从而提高空化能力和空化射流的均匀性；在提升清洗效率和清洗效果的同时降低了能耗。

在实际应用的时候，将清洗喷嘴9对准放置在旋转工作台11上的待清洗物，经由第一减压阀4，来自定量泵2的水流降至合适的压力后，进入射流喷嘴9中的进水腔92中，当水流进入空化射流喷嘴9狭窄部位(流通通道93)的时候，由文丘里管效应可知水流流速增加、压力减小，产生固壁型空化。同时密封水箱14内的水被吸入到喷嘴腔体内，此时控制调节节流阀14，使进口流量低于出口流量，密封水箱15内部产生真空、水气化为水蒸气，密封水箱15内的水蒸气被吸入到射流喷嘴9中，在射流中形成气核，发育膨胀，强化了空化。蓄能器7将流经第一开关阀6的水流的压能储存起来，通过控制第一开关阀6和第二开关阀8的开闭，使蓄能器7释放的液压能产生高频压力脉动射流，进入到射流喷嘴9中的脉冲射流通道96。射流喷嘴9中的射流在脉冲射流的周期激励下，空泡分布得更加均匀，同时被激发更多空泡，产生振荡型空化。在射流喷嘴9的腔室内部，射流经过中心体10绕流，流速增加，产生旋涡，发生旋涡型空化。此时，在射流喷嘴内部，多种空化同时产生，射流的空化效果显著增加。通过第二减压阀5，来自定量泵2的水流降至合适的压力后，进入射流喷嘴9的围压通道97中，对射流喷嘴9的射流形成围压，为射流提供持续激励动力，从而进一步提高射流距离和射流打击力。为了提高水资源的利用率，清洗后的水流从旋转工作台11流出经过空气过滤器12和除油器13的过滤作用，最后进入到水箱1中，实现水资源的循环利用。

综上所述，本发明的基于主动控制的空化射流清洗喷嘴及系统，利用引流空化吸入主动控制与脉冲激励控制对空化过程进行干预，提高空化射流中的空泡密度以及射流均匀性；同时中心体的设置使射流的空化能力增强；通过围压射流孔对空化射流形成围压，进一步提高射流的打击力和射流距离。三种空化方式同时在喷嘴内产生，使得射流内部的空泡数量增加并且混合均匀，从而提高空化能力和空化射流的均匀性；同时在降低了空化射流的能耗的同时提升了清洗的效率和清洗效果。

实施例一

本实施例的基于主动控制的空化射流清洗喷嘴，包括喷嘴本体，喷嘴本体的一端为进水腔，喷嘴本体的另一端为出水腔，进水腔和出水腔之间连通有流通通道，流通通道的内径小于进水腔的内径，所述喷嘴本体开设有与流通通道连通并用于与外部的气源连通的气流通道，所述喷嘴本体上开设有用于与出水腔连通并与外部的压力脉动源连通的脉冲射流通道。

实施例二

本实施例的基于主动控制的空化射流清洗喷嘴，包括喷嘴本体，喷嘴本体的一端为进水腔，喷嘴本体的另一端为出水腔，进水腔和出水腔之间连通有流通通道，流通通道的内径小于进水腔的内径，所述喷嘴本体开设有与流通通道连通并用于与外部的气源连通的气流通道，所述喷嘴本体上开设有用于与出水腔连通并与外部的压力脉动源连通的脉冲射流通道，所述出水腔的外围开设有围压通道；所述出水腔的外围开设有围压通道，所述围压通道的出水口与出水腔相互平行。

实施例三

在实施例一或实施例二的基础之上，所述流通通道内还设置有中心体，所述中心体位于气流通道与出水腔之间的流通通道内。

实施例四

本实施例的基于主动控制的空化射流清洗系统，包括清洗喷嘴，清洗喷嘴包括喷嘴本体，喷嘴本体的一端为进水腔，喷嘴本体的另一端为出水腔，进水腔和出水腔之间连通有流通通道，流通通道的内径小于进水腔的内径，所述喷嘴本体开设有与流通通道连通的气流通道，所述气流通道连通有密封水箱，气流通道与密封水箱的出水口连通，所述密封水箱的进水口连通有进水管道，密封水箱的进水口流量低于密封水箱出水口流量，所述进水管道上安装有用于调节密封水箱进水口与出水口的流量差的节流阀；所述喷嘴本体上开设有用于与出水腔连通并的脉冲射流通道，所述脉冲射流通道连通有用于向出水腔内输入脉冲水流的压力脉动源；所述出水腔的外围开设有围压通道，所述围压通道连通有向围压通道输入水流的管道。

实施例五

在实施例四的基础之上，所述围压通道的出水口与出水腔相互平行。

实施例六

在实施例四或实施例五的基础之上，所述流通通道内还设置有中心体，所述中心体位于气流通道与出水腔之间的流通通道内。

实施例七

在实施例四至实施例六中任一实施例的基础之上，本实施例的基于主动控制的空化射流清洗系统还包括定量泵，所述定量泵经管道与喷嘴本体的进水腔连通，所述定量泵与进水腔之间的管道上还连接有第一减压阀；所述密封水箱的进水管连通在第一减压阀与进水腔之间的管道上。

实施例八

在实施例七的基础之上，所述围压通道经管道与定量泵连通，所述围压通道与定量泵之间的管道上设置有第二减压阀。

实施例九

在实施例七的基础之上，所述压力脉动源包括与定量泵连通的蓄能器，蓄能器与定量泵之间的管道上设置有第一开关阀，蓄能器与脉冲射流通道之间的管道上设置有第二开关阀。

Claims (4)

1.一种基于主动控制的空化射流清洗喷嘴，包括喷嘴本体(91)，喷嘴本体(91)的一端为进水腔(92)，喷嘴本体的另一端为出水腔(94)，进水腔和出水腔之间连通有流通通道(93)，流通通道(93)的内径小于进水腔的内径，所述喷嘴本体开设有与流通通道(93)连通并用于与外部的气源连通的气流通道(95)，其特征在于，所述喷嘴本体(91)上开设有用于与出水腔(94)连通并与外部的压力脉动源连通的脉冲射流通道(96)；

所述出水腔的外围开设有围压通道(97)；

所述围压通道(97)的出水口与出水腔(94)相互平行；

所述流通通道(93)内还设置有中心体(10)，所述中心体(10)位于气流通道(95)与出水腔(94)之间的流通通道(93)内。

2.一种基于主动控制的空化射流清洗系统，包括清洗喷嘴(9)，清洗喷嘴(9)包括喷嘴本体(91)，喷嘴本体(91)的一端为进水腔(92)，喷嘴本体(91)的另一端为出水腔(94)，进水腔和出水腔之间连通有流通通道(93)，流通通道(93)的内径小于进水腔(92)的内径，所述喷嘴本体(91)开设有与流通通道(93)连通的气流通道(95)，其特征在于，所述气流通道(95)连通有密封水箱(15)，气流通道(95)与密封水箱(15)的出水口连通，所述密封水箱(15)的进水口连通有进水管道，密封水箱(15)的进水口流量低于密封水箱出水口流量，所述进水管道上安装有用于调节密封水箱进水口与出水口的流量差的节流阀(14)；所述喷嘴本体(91)上开设有用于与出水腔(94)连通并的脉冲射流通道(96)，所述脉冲射流通道(96)连通有用于向出水腔(94)内输入脉冲水流的压力脉动源；所述出水腔(94)的外围开设有围压通道(97)，所述围压通道(97)连通有向围压通道输入水流的水管；

所述围压通道(97)的出水口与出水腔(94)相互平行；

所述流通通道(93)内还设置有中心体(10)，所述中心体(10)位于气流通道(95)与出水腔(94)之间的流通通道(93)内；

还包括定量泵(2)，所述定量泵(2)经管道与喷嘴本体(91)的进水腔(92)连通，所述定量泵(2)与进水腔(92)之间的管道上还连接有第一减压阀(4)；所述密封水箱(15)的进水管道连通在第一减压阀(4)与进水腔(92)之间的管道上。

3.根据权利要求2所述的基于主动控制的空化射流清洗系统，其特征在于，所述围压通道(97)经管道与定量泵(2)连通，所述围压通道(97)与定量泵(2)之间的管道上设置有第二减压阀(5)。

4.根据权利要求2所述的基于主动控制的空化射流清洗系统，其特征在于，所述压力脉动源包括与定量泵(2)连通的蓄能器(7)，蓄能器(7)与定量泵(2)之间的管道上设置有第一开关阀(6)，蓄能器(7)与脉冲射流通道(96)之间的管道上设置有第二开关阀(8)。