CN108556344B - 导流装置 - Google Patents
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Abstract
一种导流装置，包括：导流转换器，用于使流经其中的流体的湍流度降低至预设范围而得到可控流体；分流输出器，用于实现所述可控流体的分流输出。本发明提供的导流装置可提供流动方向高度可控、湍流特性严格理想的保护气体，对加工室同时提供氧化保护与杂质吹扫，有效减少污染物的弥漫飞扬，保障烧结加工效率。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体地来说，是一种导流装置。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。
其中，选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)是一种重要的增材制造方法。其原理在于，激光束根据分层截面信息进行有选择地对粉末材料逐层烧结，全部烧结完成后去除多余的粉末，以得到所需的零件。
在选择性激光烧结过程，连续粉末材料层会产生数量可观的烟尘、挥发物和雾化物，并与飞扬的粉末细屑混杂，使激光束的光路受到阻挡而影响烧结效率。特别是加工室内保护气体的供给，更进一步造成烟尘、挥发物、雾化物与粉末细屑的混杂飞扬，严重降低烧结加工效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种导流装置，通过湍流度控制与均匀分流，为加工室提供兼具氧化保护与吹扫清理的保护气体，减少污染物的弥漫飞扬现象，保障烧结加工效率。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种导流装置，包括：
导流转换器，用于使流经其中的流体的湍流度降低至预设范围而得到可控流体；
分流输出器，用于实现所述可控流体的分流输出。
作为上述技术方案的改进，所述导流装置还包括流体混合器，所述流体混合器用于实现流体的均匀混合而得到混合流体，所述导流转换器使所述混合流体的湍流度降低至预设范围而得到所述可控流体。
作为上述技术方案的进一步改进，所述流体混合器用于使所述流体形成湍流而实现均匀混合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述流体混合器具有流体输入端与流体输出端，所述流体输入端与所述流体输出端垂直布置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述流体混合器包括混合器壳体，所述混合器壳体包括前壁、后壁与周壁，所述前壁与所述后壁相对设置并由所述周壁连接而形成混合室，所述前壁上设置所述流体输入端，所述周壁开设所述流体输出端。
作为上述技术方案的进一步改进，所述导流转换器包括导流壳体，所述导流壳体具有依次平滑连通的导流输入端、导流腔与输出端，所述导流腔的壁面平滑连续，所述导流壳体的通流截面自所述导流输入端至所述输出端递增。
作为上述技术方案的进一步改进，所述导流腔内设有复数个阵列分布的导流叶片，所述导流叶片自所述导流输入端延伸至所述输出端，所述导流腔由所述导流叶片分隔为复数个导流流道。
作为上述技术方案的进一步改进，所述分流输出器包括端子本体，所述端子本体具有用于供流体通流的通流腔，所述通流腔的输入端与输出端之间具有非零夹角，所述通流腔内部设置具有复数个通流栅格的分流格栅，所述通流栅格沿所述流体的流动方向延伸，所述分流格栅用于实现所述流体的分流。
作为上述技术方案的进一步改进，所述通流腔的输入端与输出端之间的夹角为直角。
作为上述技术方案的进一步改进，所述导流装置具有扁状体结构。
本发明的有益效果是：
通过导流转换器使流体的湍流度降低至预设范围，进而由分流输出器进行分流均化，提供流动方向高度可控、湍流特性严格理想的保护气体，对加工室同时提供氧化保护与杂质吹扫，有效减少污染物的弥漫飞扬，保障烧结加工效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例1提供的导流装置的透视示意图；
图2是本发明实施例1提供的导流装置的剖视示意图；
图3是本发明实施例1提供的导流装置的导流转换器的第一结构的透视示意图；
图4是本发明实施例1提供的导流装置的导流转换器的第二结构的轴测示意图；
图5是本发明实施例1提供的导流装置的导流转换器的第二结构的透视示意图；
图6是本发明实施例1提供的导流装置的分流输出器的分解示意图；
图7是本发明实施例1提供的导流装置的分流输出器的剖视示意图；
图8是本发明实施例2提供的导流装置的流体混合器的轴测示意图；
图9是本发明实施例2提供的导流装置的流体混合器的剖视示意图。
主要元件符号说明：
1000-导流装置，0100-导流转换器，0110-导流壳体，0111-导流输入端，0112-导流腔，0113-导流输出端，0120-导流叶片，0200-分流输出器，0210-输出器本体，0211-通流腔，0220-分流格栅，0221-横向栅条，0222-纵向栅条，0223-通流栅格，0300-流体混合器，0310-混合器壳体，0311-前壁，0312-后壁，0313-周壁，0314-混合室，0320-流体输入端，0330-流体输出端，0331-分流栅孔，0340-安装耳部。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对导流装置进行更全面的描述。附图中给出了导流装置的优选实施例。但是，导流装置可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对导流装置的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在导流装置的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请结合参阅图1～2，本实施例公开一种导流装置1000，包括导流转换器0100与分流输出器0200。其中，导流转换器0100用于使流经其中的流体的湍流度降低至预设范围而得到可控流体，分流输出器0200用于实现所述可控流体的分流输出。
其中，流体的具体类型根据实际应用而定。在增材制造设备中，流体一般为惰性气体(如氩气)或氮气，以提供加工室内的保护气氛，避免粉末氧化。
应当说明的是，当导流装置1000应用于增材制造设备时，可使该设备的加工室内的保护气体具有如下特性：第一，保护气体具有湍流特性，足以使其与烟尘、挥发物、粉末材料细屑等充分混合后排出，实现对加工室的清理；第二，保护气体的湍流度应低于临界值，避免造成加工室的污染物弥漫。其中，临界值为导致烟尘、挥发物、粉末材料细屑散布于整个加工室的最小湍流度，亦即使湍流局限于加工室的气体输入端与气体输出端之间连线区域内的湍流度。示范性地，在该应用中，保护气体的湍流度不大于5％。
在前述增材制造设备应用中，导流转换器0100及分流输出器0200所需的湍流度的预设范围，根据其于保护气体的输送过程的位置，并依据于加工室内所需的保护气体的湍流度范围而确定。当分流输出器0200直接面向加工室而输出气体时，分流输出器0200所需的湍流度的预设范围即为加工室内所需的保护气体的湍流度范围。示范性地，导流转换器0100、分流输出器0200及导流装置1000所需的湍流度的预设范围，可通过在实际的增材制造设备试验测定。应当注意的是，有别于一些加工室采用10-2至10-7Torr的分压通流环境的方法，导流装置1000可在略高于大气压的压力下提供惰性气体或非反应性气体的通流，有效地降低加工室内的气体环境的实现难度，易于实现具有显著的经济性。
请参阅图3，导流转换器0100包括导流壳体0110。导流壳体0110具有导流输入端0111、导流腔0112与导流输出端0113，三者依次连通而形成流体流动的通道。可以理解，流体的具体类型根据实际应用而定。在增材制造设备中，流体一般为惰性气体(如氩气)或氮气，以提供加工室内的保护气氛，避免粉末氧化。
其中，导流输入端0111、导流腔0112与导流输出端0113的连接处平滑过渡，且导流腔0112的壁面平滑连续，以降低流体的沿程损失并减少湍流现象。其中，导流壳体0110的通流截面自导流输入端0111至导流输出端0113递增，使流经其中的流体的流动速度递减，从而使流体的湍流度(Turbulence Level)控制于较低的范围。
导流腔0112的构造多种多样，示范性地，导流腔0112具有扁状腔体构造。扁状腔体构造的厚度尺寸(亦即导流壳体0110的前后壁之间的距离)较小，使通流截面呈狭长状轮廓。在该构造下，导流腔0112输出流体的吹扫范围具有较强的可控性。当应用于增材制造设备的加工室内时，导流转换器0100输出的保护气体集中于所需的保护与清洁范围，保护作用集中并避免污染物弥漫。
其中，扁状腔体构造的宽度尺寸自导流输入端0111至导流输出端0113递增，实现通流截面的递增目的，并使导流输出端0113形成扁口结构。类似地，扁口结构的宽度尺寸较小，形成狭长状输出面。示范性地，狭长状输出面包括狭长椭圆、狭长矩形等形状。
其中，扁状腔体构造的外形多种多样。示范性地，扁状腔体构造沿其厚度方向具有三角形投影轮廓。换言之，由以扁状腔体构造的厚度方向为法线的平面所截得的截面具有三角形形状。三角形的底边位于导流输出端0113上，与底边相对的顶点位于导流输入端0111上。
示范性地，扁状腔体构造沿其宽度方向具有对称结构，并于对称轴的两端形成导流输入端0111与导流输出端0113。换言之，扁状腔体构造、导流输入端0111与导流输出端0113具有中心共轴关系。例如，在前述三角形投影轮廓情形下，该三角形为等腰三角形。
示范性地，导流腔0112内设有复数个阵列分布的导流叶片0120，导流叶片0120自导流输入端0111延伸至导流输出端0113，导流腔0112由导流叶片0120分隔为复数个导流流道。流体进入导流流道，形成多股分流体而实现分流。任一分流体受其所在的导流流道约束，进一步集约而降低湍流度，增强流体的可控程度。其中，导流叶片0120可由金属或塑料等不同材料制成，并具有薄壁条带结构。
示范性地，复数个导流叶片0120沿导流腔0112的渐变尺寸方向阵列分布，导流叶片0120分别与导流腔0112的前后壁连接，任一导流流道的通流截面自导流输入端0111至导流输出端0113递增。换言之，复数个导流流道沿导流腔0112的渐变尺寸方向依次比邻分布。其中，导流腔0112的渐变尺寸，是指导致通流截面自导流输入端0111至导流输出端0113递增的尺寸。例如，在前述扁状腔体构造中，导流腔0112的渐变尺寸为其宽度方向。
导流叶片0120的阵列规律根据导流腔0112的具体结构而定，以实现降低流体湍流度的目的。示范性地，复数个导流叶片0120之间具有相同的分布夹角。换言之，导流叶片0120沿同一分布圆弧均匀分布。在前述具有对称结构的扁状腔体构造中，该分布圆弧的圆心位于扁状腔体构造的对称轴上。进一步地，分布圆弧所在平面的法线沿扁状腔体构造的厚度方向。
示范性地，复数个导流叶片0120于其接近导流输入端0111的一端形成圆弧分布结构，使导流流道的输入端更为圆滑，进一步降低分流时的阻碍与损失，使湍流度进一步降低。
示范性地，导流叶片0120与其最接近的导流腔0112的一侧壁面具有一致的变化趋势，使各导流流道的表面更为平滑，保证分流体的流动顺畅。例如，在两侧壁呈弧形曲面的扁状腔体构造中，导流叶片0120具有弧形表面，且其弧形表面的起伏规律一致于与其同侧的导流腔0112的侧壁。
补充说明，导流输入端0111与导流输出端0113的形状多种多样，一般适应于与其相接的外部元件的形状。示范性地，导流输入端0111具有圆弧形状，并与导流叶片0120末端排列形成的圆弧分布结构具有同心关系。请结合参阅图4～5，另一种示范，导流输入端0111可为沿导流腔0112的轴向延伸的导管。
补充说明，导流壳体0110可采用多种外形。示范性地，导流壳体0110具有薄壁壳体结构，使其与导流腔0112的形状一致。在该构造下，导流壳体0110的尺寸较为紧凑，而自重有效降低。
示范性地，导流转换器0100与分流输出器0200具有一致的厚度尺寸，以保证流体于厚度方向基本保持平顺，从而使流体输出时沿宽度方向的分布基本一致，保证均匀的吹扫作用。
请结合参阅图6～7，分流输出器0200的主体件包括输出器本体0210，输出器本体0210具有用于供流体通流的通流腔0211。可以理解，通流腔0211贯穿输出器本体0210，并于两端开口处形成输入端与输出端。
其中，通流腔0211的输入端(即分流输入端)与输出端(即分流输出端)之间具有非零夹角，以实现流体的方向转换。非零夹角的数值根据具体的转向需要而定，示范性地，分流输入端与分流输出端之间的夹角为直角。
通流腔0211的内部设置具有复数个通流栅格0223的分流格栅0220，用于实现流体的分流。通流栅格0223沿流体的流动方向延伸，保持两端贯通。流体遇到分流格栅0220时，受各个通流栅格0223分割而形成多股分流体，实现分流。任一分流体受其所在的通流栅格0223约束，进一步集约而降低湍流度，增强流体的可控程度。
分流格栅0220的结构方式众多，示范性地，分流格栅0220包括横向栅条0221与纵向栅条0222。横向栅条0221与纵向栅条0222交错分布，从而形成复数个通流栅格0223。可以理解，横向栅条0221与纵向栅条0222的数量可分别为一至复数个，并分别抵紧于通流腔0211的侧壁，以形成多排通流栅格0223。优选地，横向栅条0221为至少一个，并沿流体的流动方向之垂直方向延伸至通流腔0211的侧壁；纵向栅条0222为至少2个且与同一横向栅条0221相交，并沿流体的流动方向延伸。由此，通流栅格0223形成多行多列的复合分布。
示范性地，分流格栅0220的输出末端位于通流腔0211的分流输出端。换言之，分流栅格的输出端即为分流输出端。经分流格栅0220分流而形成于各通流栅格0223内的分流体，不再交汇而径自输出，使分流输出器0200的输出流体为分流后的流体，具有理想的湍流度与受控程度。
示范性地，复数个通流栅格0223之间具有相互平行的关系，保证分流体的流动方向严格一致，实现对增材制造设备的加工室的理想吹扫与保护。在一种示范中，横向栅条0221之间具有相互平行关系。在另一种示范中，纵向栅条0222之间具有相互平行关系。
示范性地，通流腔0211具有扁状弯曲腔体构造。扁状弯曲腔体的宽度尺寸大于厚度尺寸，厚度尺寸(亦即输出器本体0210的前后壁之间的距离)较小，使通流截面呈狭长状轮廓。同时，扁状弯曲腔体构造的长度尺寸沿其厚度方向发生弯曲，实现流体的方向变换。
在该构造下，通流腔0211输出流体的吹扫范围具有较强的可控性。当应用于增材制造设备的加工室内时，分流输出器0200输出的保护气体集中于所需的保护与清洁范围，保护作用集中并避免污染物弥漫。
示范性地，扁状弯曲腔体于弯曲处圆滑过渡。换言之，扁状弯曲腔体具有圆弧弯曲，对流体施以较佳的导向作用，避免冲击影响而使流体的湍流度保持于预设范围内。其中，预设范围根据实际的应用环境而确定，例如可通过应用试验进行测定。
示范性地，通流腔0211内设有复数个分流叶片，分流叶片自分流输入端延伸至分流格栅0220的输入端，通流腔0211由分流叶片分隔为复数个导流流道。示范性地，在通流腔0211具有扁状腔体构造的应用中，分流叶片沿扁状腔体构造的宽度方向相互平行阵列。在该构造下，分流输入端输入的流体经过二次分流，进一步增强分流效果。可以理解，任一导流流道可与多个通流栅格0223对应，实现二级分流。
实施例2
请结合参阅图8～9，在实施例1的基础上，本实施例公开一种具有改进结构的导流装置1000。其区别在于，于导流转换器0100之前端增设流体混合器0300，以实现流体的均匀混合，为导流转换器0100提供具有均匀分布结构的混合流体。
流体混合器0300的主体件包括混合器壳体0310，混合器壳体0310内设混合室0314，是流体混合的主要作用场所。混合器壳体0310包括前壁0311、后壁0312与周壁0313，前壁0311与后壁0312相对设置并由周壁0313加以连接，三者包围形成混合室0314。
前壁0311上设置流体输入端0320，以向混合室0314输入流体。由于前壁0311与后壁0312保持相对，流体输入端0320亦与后壁0312保持相对，使流体输入端0320输入的流体冲击后壁0312，从而增加流体的速度梯度或使流体形成湍流，同时发生流动方向的变换。由此，流体于混合室0314内发生分割混合，并具有由湍流引起的剧烈涡旋，使流体的混合十分充分，保证流体的分子分布更为均匀。
流体输入端0320与后壁0312的夹角根据实际应用环境而定，示范性地，流体输入端0320的延伸方向与后壁0312保持垂直相交，使输入的流体垂直地冲击于后壁0312的表面，进一步增加湍流度而提升混合效果。
其中，周壁0313开设流体输出端0330，用于输出经过混合的流体。其中，流体输入端0320与流体输出端0330垂直布置。在此，流体输出端0330的方向与后壁0312的表面方向较为接近，保证经过混合转向的流体输出时流动顺畅，始终具有均匀的分子结构。
示范性地，流体输入端0320具有圆柱喷嘴构造，用于增加流体的负压并将流体喷射至后壁0312上。换言之，流体输入端0320具有圆柱构造，使流体在伯努利效应下加速。结合流体输入端0320与混合室0314之间的面积差异，流体离开流体输入端0320时发生较佳的射流作用，冲击后壁0312后的湍流度进一步提升，促进流体的混合效果。
示范性地，混合室0314具有圆柱腔体结构，流体输入端0320与圆柱腔体结构共轴布置。换言之，前壁0311与后壁0312保持平行并分别与周壁0313垂直，且周壁0313的内表面为圆柱面。共轴关系下，流体对于后壁0312的冲击点位于中心处。冲击后形成的具有一定湍流度的流体，朝向流体输出端0330的组成部分经流体输出端0330离开混合室0314；其余方向的组成部分由周壁0313的内表面作用而高速回旋，进一步涡旋混合后经流体输出端0330输出。可见地，圆柱腔体结构具有其特殊的回旋加速作用，提高流体的湍流度。
示范性地，混合室0314具有扁状腔体结构，扁状腔体结构的厚度为前壁0311与后壁0312的间距。扁状腔体结构的厚度尺寸较小，使流体输出端0330与后壁0312之间的距离较小，保证喷射后的流体于冲击前始终保持理想速度，不致发生衰减，取得较佳的冲击混合效果。进一步地，对于具有扁状圆柱腔体结构的混合室0314，其流体流动更为集中，回旋加速作用更为显著。
示范性地，流体输入端0320的延伸方向与扁状腔体结构的厚度方向一致。其中，流体输入端0320的延伸方向与流体流动方向一致。在前述构造下，流体正向垂直地冲击后壁0312，能量更为集中。
如前所述，流体输出端0330贯穿周壁0313的内外，使混合室0314内的流体得以排出。示范性地，流体输出端0330包括复数个连续分布的分流栅孔0331，任一分流栅孔0331均与流体输入端0320保持垂直。分流栅孔0331用于实现输出流体的分流，使流体集约而降低湍流度，增强流体的可控程度，便于流体的后续应用。
示范性地，分流栅孔0331于分布圆心角范围内沿周壁0313的外轮廓阵列分布，分布圆心角所对的弧以混合室0314的中心为圆心。例如，在前述圆柱腔体结构中，分流栅孔0331沿周壁0313的外圆周弧形分布，使分流作用更为理想，分流层次结构显著，使输出流体的湍流度进一步降低。
分布圆心角的范围依实际需要而定，示范性地，分布圆心角的角度范围为70°～90°。在该范围内，分流栅孔0331于不同位置先后作用，分流层次结构比较理想。
示范性地，混合器壳体0310的周壁0313上设有用于对外连接的安装耳部0340。安装耳部0340用于与外部元件连接固定，实现流体混合器0300与外部元件的紧密安装，保证流道的连接紧密性。在一个应用例中，安装耳部0340的数量为2个，并对称地设置于流体输出端0330的两侧。如此，流体输出端0330的输出流体可均匀地输出至外部元件，流动通道平滑顺畅。
示范性地，流体混合器0300的输出端(即流体输出端0330)与导流输入端0111之间直接对接，无需设置导管，以保证流体的状态稳定。换言之，流体输出端0330与导流输入端0111具有匹配的形状，实现紧密贴合连接。
示范性地，流体混合器0300、导流转换器0100与分流输出器0200具有一致的厚度尺寸，以保证流体于厚度方向基本保持平顺，从而使流体输出时沿宽度方向的分布基本一致，保证均匀的吹扫作用。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种导流装置，其特征在于，包括：
导流转换器，用于使流经其中的流体的湍流度降低至预设范围而得到可控流体；
分流输出器，用于实现所述可控流体的分流输出；
还包括流体混合器，所述流体混合器用于实现流体的均匀混合而得到混合流体，所述导流转换器使所述混合流体的湍流度降低至预设范围而得到所述可控流体；
所述流体混合器包括流体输入端、流体输出端及连接二者的混合室，所述流体输入端与所述流体输出端垂直布置；
所述流体混合器包括混合器壳体，所述混合器壳体包括前壁、后壁与周壁，所述前壁与所述后壁相对设置并由所述周壁连接而形成混合室，所述前壁上设置所述流体输入端，所述周壁开设所述流体输出端；
所述导流转换器包括导流壳体，所述导流壳体具有依次平滑连通的导流输入端、导流腔与输出端，所述导流腔的壁面平滑连续，所述导流壳体的通流截面自所述导流输入端至所述输出端递增。
2.根据权利要求1所述的导流装置，其特征在于，所述流体混合器用于增加所述流体的速度梯度或使所述流体形成湍流而实现所述流体的均匀混合。
3.根据权利要求1所述的导流装置，其特征在于，所述导流腔内设有复数个阵列分布的导流叶片，所述导流叶片自所述导流输入端延伸至所述输出端，所述导流腔由所述导流叶片分隔为复数个导流流道。
4.根据权利要求1所述的导流装置，其特征在于，所述分流输出器包括端子本体，所述端子本体具有用于供流体通流的通流腔，所述通流腔的输入端与输出端之间具有非零夹角，所述通流腔内部设置具有复数个通流栅格的分流格栅，所述通流栅格沿所述流体的流动方向延伸，所述分流格栅用于实现所述流体的分流。
5.根据权利要求4所述的导流装置，其特征在于，所述通流腔的输入端与输出端之间的夹角为直角。
6.根据权利要求1所述的导流装置，其特征在于，所述导流装置具有扁状体结构。
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