CN1082464A - 处理易损表面，特别是雕刻品的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种例如以清洗方法处理易损表面，特别是处理 具有明显轮廓的表面，如用木材、石膏、青铜等制成的 雕刻品的装置，包括一个混合头(1)，从混合头(1)汇 入其中的介质并将处理射流(50)喷出。在混合头(1) 的混合室(30)内的压力作用下，一束含有液态处理剂 的射流通过入口(12)经第一流道(10)被排导。并且 一束其射流轴线(22)以角度(8)倾斜于第一射流中心 线(11)的第二射流经第二流道(20)被排导。入口 (12)具有第一射流的一个入口孔(14)，它的形状和/ 或方向应能使第二射流的射流轴线(22)与第一射流 相交。

Description

处理易损表面，特别是雕刻品的装置和方法
本发明涉及一种例如以清洗方法处理易损表面，特别是处理具有明显轮廓的表面，例如用木材、石膏、青铜等制成的雕刻品的装置，包括一个混合头，以混合汇入混合头的介质并将处理射流喷出，在混合头的混合室内的压力作用下，一束含有液态处理剂的射流通过一个入口经第一流道被排导，并且一束其射流轴线以一角度倾斜于第一射流轴线的第二射流轴线经第二流道被排导；本发明还涉及一种利用上述装置处理易损表面，特别是处理具有明显轮廓表面；例如用木材、石膏、青铜等制成的雕刻品的方法。
在处理易损的、具有明显轮廓的表面时，典型的如处理雕刻品，例如木头、石膏、青铜雕像时，会产生处理的保护性和彻底性的双重问题。所处理的表面一方面是易损的，特别是那些突出的表面，如人像的鼻子，这些表面的某些部分很难接近，因为由于表面轮廓的缘故这些部分很难接近，因为由于表面轮廓的缘故这些部分被隐藏在突起、弯曲等部位的后面。
为了清洗基本上呈平面或相对不易损的表面，公知的是采用带有磨粒的射流法，该法是将高压作用下的射流呈直线状喷射到待清洗表面上。
为了相同的用途，即清洗基本上呈平面的，但与前述相比较为易损的表面，欧洲专利说明书第EP017144881号中公开了一种方法和一种装置，其中借助于一束围绕其中心轴线旋转的清洗射流来完成清洗工作。清洗射流中含有雾状的水、空气和由固体颗粒组成的清洗剂。该公知的装置主要包括一个混合头，进入其混合室中的一方面有在压力作用下经喷雾嘴排入的一股由水和空气组成的混合物，另一方面有经另一个流道排入的一股由空气和固体颗粒组成的混合物。两股混合物流体以一个角度和一个相对于各自的中心线的偏心率在混合室内相遇、混合，并作为旋转的清洗射流离开混合室。
这种保护性处理方法的使用，例如用于具有明显轮廓表面，像教堂里的木雕像或石膏像的清洗，抛光或涂覆某种保护液并不是公知的。因为两股混合流体以一定角度和相对偏心率进入公知的混合头的混合室内，至少其中的一股压力流体要冲击到和其入流口相对的混合室壁上，并且随着混合头使用时间的延长，在冲击区内要产生所不希望的材料磨蚀。特别是当两股进入混合室的混合流体以一相对偏心率相遇时，这种所不希望的效应更为严重，因为流向混合室壁的混合流体在冲击到壁上之前仍保持着其大部分动能。
本发明的任务是，避免已有技术中的方法和装置的缺点。特别是要实现对易损性和具有明显轮廓表面的处理的保护性和彻底性。在一种能产生旋转的，从而是保护性的处理射流的装置中，在混合头的混合室内实现极为良好的混合和旋转脉冲传递，同时减少混合室壁的磨损。
这一任务的解决方案是，所述的装置包括一个混合头，以混合汇入混合头的介质并将处理射流喷出。在混合头的混合室内的压力作用下，一束含有液态处理剂的射流通过入口经第一流道被排导。并且一束其射流轴线以角度倾斜于第一射流轴线的第二射流经第二流道被排导。入口具有一个入口孔，该口入孔的形状和/或方向应能使第二射流轴线与第一射流相交。所述的方法是利用一束围绕其产生的射流中心线旋转的处理射流以及至少一种在其雾化前为液态的处理剂进行处理。
本发明的有利的、并非一目了然的结构，在从属权利要求中要求保护。
通过采用一种射流方法，即采用让射流束围绕其指出方向的中心线旋转的射流方法可使射流微粒，即雾化的液态处理剂和/或固体抛光颗粒或磨粒以可以保护材料的擦抹运动方式作用在待处理的表面上。使用本发明所述射流方法处理易损的、具有明显轮廓的表面，如雕刻品等，可以大大简化这些物品的修复工作，并且由于和普通采用的纯人工方法相比节约了时间，所以能降低成本，因为纯人工方法需要用工具刮掉或用抹布擦掉污物。另外也可以减小有价值的物品损坏的风险。
本发明所述的措施是，在压力作用下将两束有一定夹角并相对于各自的中心线偏心的射流导入混合头的混合室内，使得一束射流的范围能与另一束射流的中心线相交，特别是第二束射流的横截面在共有的相交区被第一束射流大部甚至基本上全部覆盖，该措施能达到良好的混合并提供旋转脉冲效应，以产生合成的转动式射流。同时还能防止混合室壁的材料磨蚀，因为两束射流的动能在相遇时极为有效地转换成为合成旋转射流的转动能和平移能，射流在相互撞击前并不会将其动能中的一大部分传递到混合室壁上。
本发明所述的混合射流可以含有一种或由几种混合而成的处理剂，混合射流经第一流道通过狭缝状的入口孔进入混合室内，从而产生一束沿射流方向横向扩张的，称之为扁束射流的流体。由于这一扁束射流在其运动方向上大部分或者甚至全部或几乎全部地覆盖了以一斜角和偏心于扁束射流中心线流入混合室的第二射流的路径。为此目的入口孔的纵轴线相对于一平面有一横向分量，该平面是第一和第二射流中心线在狭缝截面上的平行投影线上的延伸面。该孔的纵轴相对于该延伸面最好大致呈直角。
入口由一狭缝口或一个先收缩然后扩张的喷嘴的最窄过流孔构成。
可含有由压缩空气和固态颗粒组成的混合物的第二射流经第二流道被导入混合室，该流道的过流截面如本发明所示朝着混合室入口方向扩展。这样在流量相同时便可达到减小第二射流动能的目的。
这种效果通过本发明一种突然扩展的结构而得到显著增强。这样能保证第二射流在其偏心于第一射流中心线并从第一射流旁边流过的核心区域内不会产生速度峰值。而会具有一个完全成湍流的，相对平坦的速度分布曲线。第二射流及其组分和第一射流在射流前进方向上相遇时，其速度要小于第二流道孔径不变或渐变扩展的情形。射流组分由于突然扩展而产生的湍流横向速度分量有利于充分混合，从而改善旋转脉冲的效应和产生。
按本发明优选的实例，自第一向第二圆柱形过流截面的扩展所采取的直径比在2∶3至4∶5之间，最好约为3∶4。
此外，最好同样呈圆柱形横截面的混合室的直径与第二流道入口直径的比值也非常重要。这一比值最好在4∶3至6∶5之间。特别为5∶4，从而使本发明所述优选实例的第二流道的第一分段，第二分段和混合室直径之间的相关比值约为3∶4∶5。位于两束混合射流相交的高度后部的混合室壁的区域，特别是在第二射流中心线延长线后部的区域最好设置一凸缘。该凸缘最好具有尽可能尖锐的棱边。从而阻止在区域内呈一定角度与混合室壁接触的射流组分的滑动或至少将其减轻，并促使其尽早形成旋转。
混合射流形成并进入旋转状态后最好被导入一个与混合室相连的、逐渐特别是连续缩小的混合头分段内并被节流。该分段的几何形状为，在分段最好为圆柱形横截面的条件下，分段的长度与入口直径之间的商在4∶1至8∶1之间，最好为5∶1。同时该锥体的入口与出口直径之商最大为4∶1，并且最好仅约为2∶3∶1。
上述凸缘最好由锥形分段在其混合室端的直径小于混合室的直径而形成，从而产生一个环形凸缘。混合室的直径应以约5∶4的比例缩小，但至少应使凸缘突出孔的横截面半个毫米。
锥形分段的材料最好表面要耐磨，并有足够的粗糙度，以阻止射流组分过于易于沿其滑动，混合室壁也应如此，这些所要求的性质基本上可用不同的陶瓷材料实现，特别是锥形分段至少要具有陶瓷表面，凸缘本身要由高耐磨性烧结环构成。
此外最好使锥形分段在射流出口端连接一段过流截面大致恒定的分段。在该最后分段内能再次使产生射流组分均匀化和安定化。
在两段最后所述的分段内混合射流的旋转运动被确定和连续化，这种结构极为适于产生呈小张角圆锥形扩散的处理射流。
这两段顺序相连的分段的长度比值也很重要，出口侧分段的长度最好至少为锥形分段长度的六分之一，特别为五分之一至四分之一。
所述的液态处理剂大多数情况下是水。但根据处理的类型也可以在水中加入清洗液或保护液，如防锈液，必要时也可使用不同处理剂的适当的混合物。在清洗处理时，混合头中还排出固态颗粒作为抛光或磨光颗粒。原则上也可用冰粒作为固态颗粒，此时向混合头或者送入结晶的冰粒，或者让冰粒在混合室后雾化的混合射流中产生。
根据本发明产生的是一束旋转的处理射流，其张角小于30°，特别是甚至小于20°，以使射流达到凸起的表面的后部，甚至是隐蔽的表面上，使射流尽可能有针对性地作用在这些区域上。
下面对照优选的实例和附图对本发明加以详细说明。
图1表示一个混合头的纵向剖视图；
图2表示沿图1中A-A横截面所示的具有夹缝式入口孔的入口。
如图1所示，一束由液态处理剂和压力气体的混合物构成的第一射流经第一流道10被引入称之为混合头1的装置，并且另一束含有压力气体(以下均称为压缩空气)和固体颗粒的第二射流经第二流道20也被引入该混合头。第二流道20的中心线22以角度γ倾斜于经第一流道10和入口12进入混合室30的第一射流的中心线11布置。另外，两束射流的中心线11和22还相互偏心地布置，使得由两束射流形成的混合射流能围绕其射流排放方向产生旋转，该射流排放方向和第一射流的中心线11相重合。
在该实例中，入口12进入混合室30的第一射流的中心线11在其出口处具有混合室30。在该实例中的射流中心线11和旋转对称的混合室30的对称轴线相重合。在两个流道10和20的倾斜布置方案与适当选择两束在混合室30内混合的射流的质量比或容积比相联系的情况下，也可保持倾角γ和偏心率不变而设计出混合室中射流流道的其他结构。
在混合室30中进入旋转的由压缩空气和雾化的液态处理剂，例如水组成的混合物经集束后进入连接于混合室30出口侧的逐渐收缩的分段42，并流向混合头1的排出段44。排出段44横截面大致保持不变。自排出段44喷出的处理射流50呈锥形，其张角α约为20°，所以处理射流在通常的工作距离上扩张或一束最大为五马克硬币大小的锥面。
为了使进入混合室的第一和第二射流尽可能充分地混合并且同时实现尽可能良好的旋转脉冲效应，经第一流道10进入的第一射流在垂直于其射流中心线11的方向上呈扩展的形状，所以该射流进入混合室30后被称为扁束射流。这样以一偏心度和该扁束射流相遇的第二射流的横截面就可以大部分被扁束射流所覆盖，从而尽可能多地将其动能吸收。同时该扁束射流还保护了混合室壁上的区域34，该区域位于第二流道20中心线22的延长线上。若没有扁束射流的屏蔽，流经的两束射流会在区域34处打在混合室壁上，例如在欧洲专利说明书第EP01714448N1所示的混合头可能发生的那样。混合头的尺寸选得越小，这种现象就越严重。根据第二射流所含射流组分的种类，特别是如果其中含有抛光或研磨颗粒的话，在没有所述的作为宽束射流的第一射流的屏蔽的情况下，将会对壁区34产生不容忽视的材料磨损。
图2所示的是喷嘴12在其最窄部位的横截面A-A。这一最窄部位是由狭缝状，在该实例中为矩形的喷嘴孔14构成的，该喷嘴孔的长轴16大致垂直地位于由喷嘴12或第一射流的中心线11与第二流道、即第二射流进入混合室30的方向的中心线22的平行投影线22′所确定的平面上，喷嘴孔14的长轴16当然也可以在给定的尺寸范围内相对于该平面以另外一个合适的倾角布置。
第二流道20如图1所示，朝着混合室30的入口方向加粗。这种加粗是通过突然性的扩展部27实现的，因此第二流道20的第一分段26的恒定过流截面突然改变为与其相连的加粗分段28，该段的截面同样是恒定的，但过流横截面积变大了。扩展部27因制造条件的限制约呈60°的角度扩展，但最好是无过渡地扩展，以产生湍流，从而减小第二射流位于中心线22上的脉冲分量。第二射流因而能以一股形成了湍流的流体截面与宽束射流的平面侧相遇。这一措施非常有利于减小区域34的磨损，同时由于所述湍流产生的射流的横向速度分量强化了混合室30内的混合并且对旋转脉冲效应发生不利的影响。必要时也可以在第二射流的形成中，特别是在下面还要精确说明的混合头几何形状中采用一种以公知方式，如依EP0171448B1中所述而产生的第一射流。
上述混合头1的结构特别适用于处理具有明显轮廓的表面，如用木材、石膏、青铜等制成的雕刻品和雕像，它们经常具有强烈凹凸和曲的表面，从而使所用的工具，即混合头1要采用相应较小的尺寸，完全可以称之为微型件。如要让两点在混合室内相遇的射流相对较强的集束，则其各自的中心线由于被设置成不相交的，所以偏心率不会起到阻碍作用。
所喷出的处理射流50的张角α的大小要使以一典型的操作距离喷到待处理表面上的射流所覆盖的面积小于五马克硬币的尺寸，即覆盖面大约小于7cm2。处理射流50的张角α约为20°。在任何情况下张角都要小于30°。
为了形成这种处理射流50，与混合室30相连的分段42最好呈连续收缩状，其长度直径之比约为5∶1。此处长度与直径比这一概念是指圆柱形分段42的长度与直径之比。
呈收缩状的分段42的出口端与另一圆柱形分段44相连，后者的通流截面是恒定不变的。在该最后的分段44内还再次产生射流组分混合的平衡和非旋转方向运动的稳定作用，正如在本发明开发工作中所证实的那样。
两个分段42和44作为一个整体式的陶瓷材料制成的套管40设置在混合室壳体32的凹孔36内。混合室一侧是锥形分段42的端面39靠在具有尖锐棱边的烧结环38上。第二流道20的中心线22的延长线指向位于烧结环38和混合室壁之间的区域34之前少许的位置。位于相遇区34后部的由烧结环38形成的端面39可防止相遇的射流组分流到混合室壁上，否则会造成旋转的形成和其他效应以不希望的方式被延缓。
混合头1各个组件的尺寸相互协调也起着很重要的作用，特别是顺序连接在一起的各段流道截面的纵截面和横截面之间的关系以及由长度和横截面或直径构成的比例关系起着重要作用。为此参见图1，以1∶1.4的比例尺所示的实例。
第二流道20以其两个分段26和28构成的接管24的外径为半英寸，并以一适当的连接区25与通常的压缩气体源和压缩气体软管相连。试验表明，接管24的自由端的端面19应尽量平坦。该接管的端面直至其内径都要平坦，这样在插上软管21后仅为了保护其不受损伤而最低限度地夹持在外边缘，同样端面19也要尽可能平坦地与作为单孔构成的第一分段26的边缘相连，从而以理想的方式实现软管21的横截面在第一分段26的横截面处突然变窄23的结果。试验表明，端面19的倒圆角或者甚至较厚的边框令人意外地不会对自其流道进入混合室30的第二射流的形状产生不利的影响。
第二流道20的第一分段26的直径约为6mm，而较粗的第二分段28的直径则约为8mm。这两个分段26和28的长度比例约为3∶2，其中混合室一侧的分段28的长度相当于其中心线直至与混合室壁相交的长度，并且第一分段26的长度为20至40mm，特别是约为30mm。
实例中圆柱形混合室30的直径约为10mm。大致呈矩形的喷嘴孔14的长度l约为1.2mm，宽度约为0.6mm。
锥形分段42在其混合室一侧的入口的直径约为8mm，并逐渐收缩为出口分段处的大约3.5mm。出口分段44本身的直径保持不变，约为3.5mm，其外部的出口边缘是锐边。必要时该分段也可用耐磨材料制成。以上所给出的直径数据均指圆柱形横截面。

Claims (28)

1.一种例如以清洗方法处理易损表面，特别是处理具有明显轮廓的表面，如用木材、石膏、青铜等制成的雕刻品的装置，
a)包括一个混合头(1)，以混合汇入混合头(1)的介质并将处理射流(50)喷出，
b)在混合头(1)的混合室(30)内的压力作用下，一束含有液态处理剂的射流通过入口(12)经第一流道(10)被排导，
c)并且一束其射流轴线(22)以角度(α)倾斜于第一射流轴线(11)的第二射流经第二流道(20)被排导。
本发明的特征是：
d)入口(12)具有一个入口孔(14)，该口入孔的形状和/或方向应能使第二射流的射流轴线(22)与第一射流相交。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是，第一射流在相交区内基本上覆盖了第二射流的横截面。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征是，入口孔(14)呈狭缝形状并具有一纵轴(16)，该纵轴相对于一平面有一横向分量，该平面是第一和第二射流中心线(11，22)在狭缝截面上的平行投影线上的延伸面。
4.如权利要求3所述的装置，其特征是，入口孔(14)的纵轴(16)相对于延伸面大致呈直角。
5.如权利要求1至4之中任何一项所述的装置，其特征是，经入口孔(14)喷出的第一射流的中心线(11)大致指向混合室(30)的出口，特别是其中心线(11)与旋转对称构成的混合室(30)的对称轴线相重合。
6.如权利要求1至5之中任何一项所述的装置，其特征是，入口孔(14)的长度(l)是其宽度(b)的1.5至4倍，特别是约为其两倍。
7.如权利要求6所述的装置，其特征是，入口孔(14)的长度(l)为0.8至1.8mm，特别是约为1.2mm，其宽度(b)为0.2至1.2mm，特别是约为0.6mm。
8.如权利要求1至7之中任何一项所述的装置，其特征是，入口(12)由一狭缝口或一个先收缩然后扩张的喷嘴的最窄过流孔构成。
9.如权利要求1至8之中任何一项所述的装置，其特征是，第二流道(20)内的过流截面朝着混合室(30)的入口方向扩展。
10.如权利要求9所述的装置，其特征是，所述的扩展作为突然的扩展(27)，特别是自第一分段(26)向第二分段(28)的突然扩展(27)，两分段各具有恒定的圆柱形过流横截面。
11.如权利要求10所述的装置，其特征是，两个分段(26，28)呈圆柱形，其直径比位于2∶3至4∶5的范围内，特别是约为3∶4。
12.如权利要求10或11所述的装置，其特征是，第二流道(20)是由带有第一分段(26)并位于连接端的圆柱形接管(24)构成的，该连接端可以插入处理剂导入管(21)内，并且为了形成一个突然的横截面变窄(23)而具有一个外径(A)，该外径至少是第一分段(26)直径的1.5倍，最好是约为2倍。
13.如权利要求10至12之中任何一项所述的装置，其特征是，第二流道(20)是由带有第一分段(26)并位于连接端的接管(24)构成的，该接管具有几乎完全平坦的端面(19)。
14.如权利要求10至13之中任何一项所述的装置，其特征是，汇入混合室(30)的第二流道(20)的第二分段(28)与圆柱形混合室(30)的直径比例在3∶4至5∶6之间，特别是约为4∶5。
15.如权利要求1至14之中任何一项所述的装置，其特征是，为了连接简单，第一和第二流道(10，20)可与当地具备的，特别是半英寸的处理剂接口相连，处理剂特别是水和压缩空气。
16.如权利要求1至15之中任何一项所述的装置，其特征是，为了减少和阻止射流组分朝着流动方向滑动，在两束射流相交的区域有一个凸缘(38)自混合室壁上向混合室(30)内凸出。
17.如权利要求16所述的装置，其特征是，凸缘(38)由一个环形的台阶，特别是一个烧结环构成。
18.如权利要求17所述的装置，其特征是，台阶(38)至少向混合室(30)内凸出半毫米，特别是凸出1毫米。
19.如权利要求1至18之中任何一项所述的装置，其特征是，混合头(1)在与混合室(30)相连处，特别是在与台阶(38)相连处逐渐缩小。
20.如权利要求19所述的装置，其特征是，锥形分段(42)朝着延伸方向，按照长度和直径之比是4∶1至8∶1，特别是约5∶1的比例缩小。
21.如权利要求19或20所述的装置，其特征是，锥形分段(42)具有圆柱形横截面，并且朝着混合头出口方向直径最大收缩四倍，特别是收缩约为2.3倍。
22.如权利要求1至21之中任何一项所述的装置，其特征是，混合头(1)与锥形分段(42)相连的出口端具有一段过流截面为恒定的分段(44)，该分段特别具有圆柱形横截面。
23.如权利要求22所述的装置，其特征是，出口端的分段(44)的长度至少是锥形分段(42)长度的六分之一，特别是五分之一至四分之一。
24.如权利要求1至23之中任何一项所述的装置，其特征是，和射流组分相接触的混合头(1)的内壁用陶瓷材料制成。
25.一种用按上述权利要求所述的装置以清洗方式处理易损表面，特别是处理具有明显轮廓的表面，如用木材、石膏、青铜等制成的雕刻品的方法，其特征是，利用一束围绕其产生的射流中心线(11)旋转的处理射流(50)以及至少一种在其雾化前为液态的处理剂进行处理。
26.如权利要求25所述的方法，其特征是，处理射流(50)中含有水、一种专门的清洗液或保护液或其混合物。
27.如权利要求25或26所述的方法，其特征是，处理射流(50)中含有固态颗粒，特别是固定颗粒和/或冰粒。
28.如权利要求25至27中任何一项所述的方法，其特征是，射流束的张角(α)小于30°。
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