CN110072664A - 用于产生液体射流的设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于生成沿着射流轴线（A）传播的液体射流的设备，所述液体射流引导激光束。所述设备包括带有用于所述液体的至少一个进口（10）和至少一个出口（11）的分布腔（5），所述分布腔（5）具有围绕所述射流轴线（A）的环形形状。所述分布腔（5）具有第一有效液体流动横截面面积S1。所述设备还包括加速腔（7），其具有用于所述液体的至少一个进口（12）和一个出口以及对所述激光束透明的窗（3），以通过所述窗（3）将所述激光束引入到所述加速腔（7）内。所述窗（3）被布置成与所述射流轴线（A）共线以使所述激光束的引入能与所述射流轴线（A）同轴。所述加速腔（7）具有入口横截面S3，所述入口横截面S3由布置成与所述射流轴线（A）同轴的几何圆柱形状的圆柱桶的表面面积定义，所述圆柱桶具有对应于所述射流轴线（A）和所述加速腔（7）的所述至少一个进口之间的最小距离的半径，其中所述圆柱桶的所述面积被定位在所述加速腔（7）内。用于生成所述液体射流的喷嘴被布置在所述加速腔（7）的所述出口内并且限定了所述射流轴线（A）的方向。至少一个连接通道（6）从所述分布腔（5）的所述至少一个出口（11）延伸到所述加速腔（7）的所述至少一个进口（12），所述至少一个连接通道（6）具有第二有效液体流动横截面面积S2。所述第二有效液体流动横截面面积S2小于所述第一有效液体流动横截面面积S1，优选地小一个数量级（S2/S1<<1）并且所述第二有效液体流动横截面面积S2小于所述入口横截面S3（S2/S3<1）。所述设备包括具有中心开口的壁元件（2），其中包括所述喷嘴的喷嘴保持器（4）和包括所述窗（3）的窗元件在所述中心开口内被布置成一个位于另一个上方，所述喷嘴保持器（4）和所述窗元件沿着所述射流轴线彼此间隔开，其间隔限定了所述加速腔（7），其中所述连接通道和所述分布腔（5）形成在所述喷嘴保持器（4）内。

Description

用于产生液体射流的设备

技术领域

本发明涉及用于产生沿着射流轴线传播的液体射流的设备，所述液体射流引导激光束。

背景技术

使用激光辐射的材料机加工被以各种方式广泛用于切割、钻孔、铣削、熔焊、做标记以及一般而言地用于移除材料。为了能够开始材料的移除，必须在要被机加工的材料表面上达到预定的辐射强度。过去常常通过将激光辐射聚焦到焦点上来实现这种高辐射强度。然而，这种技术的缺点是达到这种高强度的焦点的小轴向范围（束宽）。这个轴向范围与瑞利（Rayleigh）长度有关。如果要形成深度切割或孔，那么必须以高精度水平来调节焦点的定位，或者甚至要追踪该定位。激光束朝着焦点圆锥形地逐渐变细，意味着尤其是在深度切割的情况下，从表面上开始，总是必须移除足够量的材料以使圆锥形激光束能够到达机加工位置。然而，深度切割或孔总是不得不被制造成带有倾斜的侧壁。

为了避免不得不追踪焦点并且为了能够形成具有接近竖直的侧壁的窄切割和孔，在EP A 0 515 983、DE A 36 43 284和WO 95/32834已经提出了将激光辐射注射入作为光导体的 液体射流中，将该液体射流引导到要被机加工的工件上。

在DE A 36 43 284中，借助玻璃纤维供应激光辐射。这种玻璃纤维的末端具有被引导到要被机加工的工件上的水射流，水射流围绕着工件流动。这个已知的设备具有的缺点是水射流的直径从来都不能小于运输该激光辐射的玻璃纤维的直径。另一个缺点源自位于玻璃纤维的末端下方的死水区域，这尤其引起了水射流流动中的湍流并且最终导致了这种射流快速地破裂成水滴。

EP A 0 515 983试图通过设计具有喷嘴块的光学单元来避免这些缺点，该喷嘴块对水射流进行成形。在对水射流进行成形的喷嘴的上游是水保持腔，该腔具有水进口和聚焦透镜，该聚焦透镜将该腔与喷嘴入口隔离，用于聚焦激光辐射。聚焦透镜的位置和焦距被选择为使得激光辐射的焦点位于喷嘴通道内的轴向中心中。在机加工期间的操作中，已经发现喷嘴非常快地被激光辐射损坏，并且因此对激光辐射的成形不再完美。

在WO 95/32834做出了对将激光束注射入液体射流中的方式的改进，其中要被注射的激光辐射的焦点被放置在喷嘴开口的平面内并且取消了在喷嘴开口前面的水保持腔。即使利用这种布置，在用于机加工材料的操作中喷嘴还是被损坏。

WO 99/56907曾试图建立材料机加工设备，该设备尤其通过在操作中避免对成形液体射流的喷嘴块的任何损伤来确保延长的运行时间。通过将被注射入液体射流中的辐射聚焦到对液体进行成形的喷嘴通道的入口平面内并且通过将该液体高速（没有液体保持空间）无湍流地流动地供应到喷嘴入口来确保这一点。通过在喷嘴通道开口的边缘上提供具有锋利边缘的设计，抑制了湍流的形成，产生了具有大长度的液体射流。该液体通过窄的、盘状内空间被供应到喷嘴通道，其中二十个馈送管线以相对于喷嘴的射流轴线径向地呈星形布置地通向盘状内空间。该盘状内空间具有低高度以给液体提供高流速。盘状内空间的直径小于所述馈送管线的直径。

发明内容

本发明的目标是建立一种属于开始提到的技术领域的设备，该设备允许增加液体射流的工作距离，即在该距离上液体保持为具有基本上恒定直径的连贯流。

权利要求1的特征具体说明了本发明的方案。根据本发明，用于生成沿着射流轴线传播的引导激光束的液体射流的设备包括分布腔，所述分布腔具有用于液体的至少一个进口和至少一个出口。所述分布腔具有包围所述射流轴线的环形形状并具有第一有效液体流动横截面面积S1。另外，该设备包括加速腔，加速腔具有用于液体的至少一个进口和一个出口以及对所述激光束透明的窗以通过所述窗将所述激光束引入所述加速腔。该窗被布置成与所述射流轴线共线以使激光束的引入能与所述射流轴线同轴。加速腔具有入口横截面，该入口横截面由与射流轴线同轴布置的几何圆柱形的圆柱桶的表面积限定。该桶具有半径r，其对应在射流轴线和加速腔的所述至少一个进口之间的最小距离，其中所述圆柱桶的所述面积被定位在所述加速腔内。带有生成所述液体射流的喷嘴孔的喷嘴被布置在所述加速腔的所述出口内。所述喷嘴孔限定了射流轴线的方向。而且，连接通道从所述分布腔的所述至少一个出口延伸到所述加速腔的所述至少一个进口，其中所述连接通道具有第二有效液体流动通道横截面面积S2。所述第二有效液体流动横截面面积S2小于第一有效液体流动横截面面积S1，优选地，小一个数量级（S2/S1 << 1），然而第二最大液体流动横截面面积S2小于所述入口横截面S3（S2/S3 < 1）。所述设备包括具有中心开口的壁元件，其中包括所述喷嘴的喷嘴保持器和包括所述窗的窗元件被一个位于另一个之上地布置在所述中心开口内。所述喷嘴保持器和所述窗元件被沿着射流轴线彼此间隔开，其间隔限定了所述加速腔。所述连接通道和所述分布腔被形成在所述喷嘴保持器内。

通过提供比第一有效液体流动横截面面积小的第二有效液体流动横截面面积，从所述分布腔流过所述连接通道的液体的速度向量全都以轴向对称的方式被定向并且具有相同的绝对值。这导致了减少了液体中的湍流，具体是在该流体正流入的第三腔内的湍流。这引起了在所述第三腔内的所述液体的层流，该层流导致了液体射流的工作距离的增加。仅在三个零件中设置该设备，这三个零件是可容易且快速地组装和拆卸的，在这三处提供该设备有利于在该设备上的清洁和维修操作以及零件的更换。

利用根据本发明的设备，激光束被耦合到液体射流内。液体射流由此作为光导体以借助全内反射引导激光束到工件上，借此激光束的直径在液体射流的整个工作长度上保持恒定。这允许了以定义好的且恒定的直径切割材料，比如金属、陶瓷或半导体。激光束由合适的高功率激光器生成，比如Nd:YAG激光器。然后借助光学元件将激光束引导入液体射流中，例如透镜或反射镜。

在下面的申请中，液体射流的“工作距离”是在其内液体保持为具有基本上恒定直径的连贯流的距离。在所述工作距离之后，液体射流具有破裂成液滴的趋势。

分布腔具有环形形状，其中术语“环形”是在数学语境下使用的，即环形是由两个同心圆界定的区域。另外，分布腔具有在第三维度上的延伸，从而围封一个体积，液体可流入该体积。由于分布腔与射流轴线同轴，所以限定环形形状的圆都具有与射流轴线重合的圆心。分布腔在第三维度上的延伸因此被取向为沿着平行于射流轴线的方向。所述第三维度在整个本申请中指的是分布腔的“高度”。

优选地，这两个同心圆的半径沿着分布腔的整个高度都是不变的。这导致了分布腔在具有垂直于所述射流轴线的法向向量并包含所述射流轴线的平面内具有矩形截面。在三个维度上，分布腔的形状因此会是从具有第一直径的旋转圆柱体中切掉一个具有更小的第二直径的旋转圆柱体。

替换地，所述分布腔可具有在所述平面内的其它截面，例如圆形、椭圆形或多边形，即所述两个同心圆的半径在分布腔的整个高度上变化。在圆形或椭圆形截面的情况下，分布腔的三维形状因此会是超环面。

优选地，所述液体是水。

在本申请中，“第一有效液体流动横截面面积”是位于所述分布腔内的表面面积并且是所述分布腔的横截面面积并且是由围绕射流轴线旋转360°的第一向量所限定的旋转体的表面，其中所述第一向量满足如下条件：

·第一向量垂直于经过所述分布腔的所述至少一个出口的液体流的流动方向向量；

·第一向量位于包括所述射流轴线的平面内；

·所述第一向量具有的大小对应于分布腔的横截面在位于包括所述射流轴线的所述平面内的第一向量的方向上的最大尺寸。

通过所述分布腔的所述至少一个出口的流动方向向量指示了直接位于在所述分布腔和所述分布腔的所述至少一个出口之间的过渡处的通过所述分布腔的所述至少一个出口的液体的流动方向。通常，所述出口将被布置在限定所述分布腔的壁的表面上。因此，流动方向向量指示了位于所述出口在所述壁上的布置位置处的所述液体的流动方向。在通过所述分布腔的所述至少一个出口的液体流包括多个液体流动向量的情况下，例如因为所述分布腔的所述至少一个出口具有倒圆的边缘，所述流动方向向量取所有液体流动向量的和的平均值。

在优选的实施例中，所述分布腔的所述至少一个出口轴向地，即平行于射流轴线，引导液体从所述分布腔出来。由于流动方向向量平行于射流轴线，所以所述第一向量垂直于所述射流轴线。所述第一向量的大小对应于所述分布腔的在垂直于所述射流轴线的方向上且位于包括所述射流轴线的平面内的最大尺寸。因为所述分布腔在本实施例中是与射流轴线同心的环形形状，所以第一向量的大小对应于在所述环形分布腔的外半径和内半径之间的最大差值。所述第一向量的旋转体是环形。

在分布腔是中空圆柱体的形式的情况下，即环形的半径在分布腔的整个高度上都是不变的，第一有效液体流动横截面面积等于中空圆柱体的底面积。

在另一个实施例中，所述分布腔的所述至少一个出口径向地，即垂直于所述射流轴线，引导液体从分布腔出来。因为流动方向向量垂直于射流轴线，所以所述第一向量平行于射流轴线。所述第一向量的大小对应于分布腔的在平行于射流轴线的方向上且位于包含所述射流轴线的平面内的最大尺寸。因此，所述第一向量的大小对应于分布腔的最大高度。所述第一向量的旋转体是位于所述分布腔内的圆柱桶。在这个实施例中，第一有效液体流动横截面面积等于圆柱桶的表面。所述圆柱桶具有最小可能半径，意味着它的半径是在第一向量的径向位置处给出的。

在另一个实施例中，所述分布腔的所述至少一个出口可被布置成与所述射流轴线成一定角度。在这种情况下，所述旋转体是位于所述分布腔内的截头椎体。第一有效液体流动横截面面积此时等于所述截头椎体的表面。

优选地，所述分布腔的全部出口围绕着射流轴线相对于彼此是旋转对称的。在这种情况下，从通过所述出口中的其中一个的液体流的流动方向向量得到的旋转体等于从所述分布腔的其它出口中的任意另一个出口的流动方向向量得到的旋转体。因此，第一有效液体流动横截面面积可基于所述分布腔的出口中的任一个来确定。

“旋转对称”在本文中被理解为分布腔的出口被布置成使得所述出口中的任意两个出口在围绕着射流轴线旋转大约不到一圈后就彼此重合。优选地，出口以规则的方式被布置，即任一出口在围绕着射流轴线旋转确定的不到一圈之后就与其相邻的出口重合。

优选地，分布腔被成形为使得在第一向量的方向上的最大尺寸尽可能接近分布腔的所述至少一个出口。这确保了在加速腔中非常有效地减少湍流。

在优选的实施例中，所述分布腔的所述至少一个出口被构造为在所述分布腔的表面中的单个环形狭缝，所述环形狭缝围绕着射流轴线延伸360°。在替换的实施例中，分布腔包括多个形式为圆形或扇形的多个出口，优选是半圆形，这些出口被布置在所述分布腔的同一表面上。优选地，分布腔的所述多个出口全都围绕着所述射流轴线以圆形排列，优选地以旋转对称的方式。优选地，所述分布腔的所述多个出口中的每个出口与相邻出口间隔开定义的距离，即分布腔的每个出口相对于相邻出口被布置在关于射流轴线的定义角度处。在一个实施例中，所述分布腔的所述多个出口可被紧密地布置在一起以至于它们的圆周彼此接触。

所述加速腔优选地具有盘形状。窗优选地被布置在所述盘的底部的其中一个中，而所述加速腔的所述至少一个进口被布置在所述盘形状的径向位置处，要么在所述盘形状的所述底部的其中一个上要么在所述盘形状的侧表面上。所述窗由任何合适的材料制成，所述材料对所用激光束透明并且能够承受所述加速腔内的液体压力。所述至少一个窗被布置成使得射流轴线穿过所述窗，使得激光束可被通过所述窗沿着所述射流轴线引导入所述加速腔。

所述加速腔优选地与所述射流轴线同轴，即所述盘状的加速腔的中心位于所述射流轴线上。

优选地，所述加速腔沿着所述射流轴线位于与所述分布腔不同的位置处，例如高于或低于所述分布腔，如果所述射流轴线与竖直方向对准的话。在本申请中，术语“竖直”限定了空间中的与地球重力的方向平行的方向。这个构造允许节省侧向空间，因为两个腔被布置在彼此的上方，而不是彼此挨着。

替换地，所述分布腔和所述加速腔彼此同轴，即加速腔被布置在所述分布腔的环形形状的中心内。

所述加速腔具有入口横截面S3，其由与所述射流轴线同轴地布置的几何圆柱形的圆柱桶的表面面积限定。几何圆柱形的半径等于射流轴线与加速腔的所述至少一个进口之间的距离，所述至少一个进口定位成在包括所述射流轴线的平面内最接近所述射流轴线。原则上，圆柱桶具有对应于2πrh的表面面积，其中r是在所述射流轴线和所述加速腔的最接近所述射流轴线的进口之间的距离，并且其中h是所述加速腔的在平行于所述射流轴线的方向上的尺寸，即对于盘形的加速腔来说是盘的高度。

所述加速腔的所述出口定位成与所述射流轴线同轴。在盘形加速腔的情况下，所述出口因此也与所述盘形状的底部的中心同轴。

所述液体通过所述加速腔的所述至少一个进口流入所述加速腔，并且将流到所述加速腔的所述出口。由于可用于液体流的体积朝着所述出口随着与所述射流轴线的距离的减小而减小，所述所述液体流的速度将增加。因此，所述液体在所述加速腔内朝着所述出口被加速。

虽然加速腔可具有不同的形状，但是盘状形状是最优选的，因为这以最少的液体流湍流产生了最高的加速。因此，好的加速性能可能与必要地维持加速腔内的液体层流流动有关。

优选地，盘形加速腔包括作为进口的一个环形狭缝，所述环形狭缝被布置在所述盘的底部的任一个上或者布置在盘的侧表面上。替换地，所述加速腔的所述至少一个进口可被构造为多个开口，这些开口的形式优选是圆形或扇形。

所述喷嘴被布置在所述加速腔的所述出口内。因此，经过所述出口的液体将流到所述喷嘴。所述喷嘴具有喷嘴孔，其优选地圆形的。液体可流过所述喷嘴孔并且离开所述加速腔。所述喷嘴孔产生了液体射流并且因此限定了射流轴线的方向。所述喷嘴孔的直径由此小于所述加速腔的所述出口。

在所述分布腔的所述至少一个出口和所述加速腔的所述至少一个进口之间布置有连接通道。优选地，所述分布腔的出口的数量与加速腔的进口的数量匹配。在这种情况下，分布腔的每个出口和加速腔的每个进口之间都布置有一个连接通道。

第二有效液体流动横截面面积是沿着垂直于通过所述连接通道的液体的流动方向的方向在垂直于所述流动方向的所述横截面最小的位置处与所述连接通道相交的平面的表面面积。因此，第二有效液体流动横截面面积是垂直于所述连接通道内的液体的流动方向的最小的面积。如果设备包括多于一个的连接通道，那么所述第二有效液体流动横截面面积是在每个连接通道的所述横截面面积最小的相应位置处垂直于通过每个连接通道的液体的流动方向的全部横截面面积的和。

在下面的申请中，一个“数量级”被理解为十倍。例如，在优选的实施例中，第二有效液体流动横截面面积比第一有效液体流动横截面面积小至少十倍。更优选地，所述第二有效液体流动横截面面积比所述第一有效液体流动横截面面积小20倍。

在选择比第一有效液体流动横截面面积小的第二有效液体流动横截面面积的情况下，尤其是小一个数量级，连接通道内的液体的速度向量满足圆柱对称并具有相同的模值，这有利于加速腔内的带有更少湍流的层流流动。在第二有效液体流动横截面面积小于入口横截面的情况下，在所述加速腔内实现了几乎没有湍流的层流流动。这进而导致了液体射流的工作距离的增加，与现有技术的喷嘴布置相比。

优选地，所述设备包括具有中心开口的一个壁元件，其中包括所述喷嘴的所述喷嘴保持器和包括所述窗的所述窗元件在所述中心开口内沿着所述射流轴线被布置成一个在另一个的上方。喷嘴保持器和窗元件彼此间隔开，所述间隔限定了所述加速腔的高度。连接通道和所述分布腔被形成在所述喷嘴保持器内。

在特别优选的实施例中，所述分布腔和所述加速腔沿着射流轴线被布置成彼此间隔开，而所述至少一个连接通道被布置成平行于所述射流轴线。所述分布腔的横截面由此在平行于所述射流轴线并包括所述射流轴线的平面内是矩形的。在这个布置中，第一有效液体流动横截面面积由具有平行于射流轴线的法向的环形限定。优选地，所述至少一个连接通道具有恒定的横截面。第二有效液体流动横截面面积由此等于具有平行于所述射流轴线的法向的平面与所述至少一个连接通道的截面面积。

优选地，所述连接通道相对于射流轴线是旋转对称的。

优选地，所述连接通道由一个环形管道组成，所述管道与射流轴线同轴。在这种情况下，分布腔包括形式为环形狭缝的单个出口并且所述加速腔包括形式为环形狭缝的单个进口。优选地，所述环形狭缝、所述分布腔的所述出口和所述加速腔的所述进口具有基本上相同的半径并且被平行于所述射流轴线地对准。

加速腔优选地具有圆形圆柱的形状，该圆柱具有的半径比该圆柱的高度大，其中所述高度优选是<1mm。这种加速腔构造确保了朝着所述加速腔的所述出口的并因此朝着所述喷嘴的所述液体的最大加速。

替换地，所述连接通道由至少两个管道组成，所述管道具有基本上相同的形状和尺寸。通过给管道提供基本上相同的形状和尺寸，确保了经过所述至少两个管道的液体的速度向量具有相同的模值。这减少了加速腔内的湍流的发生，因为流入加速腔内的液体将具有均匀的速度。

优选地，分布腔具有一个进口。优选地，所述分布腔的用于所述液体的所述至少一个进口布置在所述分布腔的表面上的切向位置上，其中所述液体通过所述分布腔的所述至少一个进口沿着大致朝向所述射流轴线的方向被喷入所述分布腔。

替换地，所述分布腔可包括多于一个的分布腔的进口，例如分布腔的两个、三个、四个或更多个进口。所述分布腔的所述至少一个进口优选地被连接到液体供应，所述液体供应允许以定义的液体流量和/或定义的压力供应液体到所述分布腔内。

然而，仅提供一个分布腔进口减少了设备的复杂性，因为仅一个液体供应或到液体供应的连接管需要被与分布腔连接。

窗优选地是透明元件，该元件形成了加速腔的壁的至少一部分。这允许加速腔的简单的整体构造。

下面的具体描述和全部的权利要求揭示了其它有利的实施例和特征组合。

附图说明

用于解释实施例的附图示出：

图1 通过根据本发明的设备的第一实施例的横截面；

图2 图1中示出的设备的一部分的详细视图；

图3 根据图1的实施例的第一有效液体流动横截面面积的三维示意性表示；

图4 根据本发明的设备的替换的实施例的横截面的具体视图；

图5 设备的替换的实施例的横截面；

图6 设备的另一个替换的实施例的横截面；

图7 具有多个连接通道的设备的替换的实施例的横截面；

图8 图7中示出的设备的一部分的具体视图；

图9 根据图7的实施例的第一有效液体流动横截面面积的三维示意性表示；

图10 加速腔的入口横截面面积S3的三维示意性表示；

图11 带有单个连接通道的图1中所示的设备的实施例的在垂直于所述射流轴线的平面内的横截面B-B；

图12 带有多个半圆形连接通道的所述设备的替换实施例的在垂直于所述射流轴线的平面内的横截面；

图13 带有多个圆形连接通道的所述设备的替换实施例的在垂直于所述射流轴线的平面内的横截面。

在附图中，相同的部件用相同的参考符号指示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于生成液体射流的设备1的第一实施例的横截面。设备1包括带有中心开口的壁元件2。在所述中心开口内，布置有窗元件3和喷嘴保持器4。在示出的实施例中，壁元件2的形状是从一个完整圆柱中切去一个具有更小半径的完整圆柱。因此，窗元件3和喷嘴保持器4的形状是可被固定在壁元件2的中心开口中的圆柱形。

喷嘴保持器4包括加速腔7的出口18。喷嘴8布置在所述出口18内。喷嘴8包括喷嘴孔19，其产生沿着射流轴线A传播的液体射流。射流轴线A由此标记了液体射流的中心。请注意，喷嘴孔19具有圆形形状，该圆形形状产生了具有大致圆形横截面的液体射流。窗元件3是由对激光辐射透明的材料制成，因而激光束（未示出）可沿着射流轴线A穿过所述窗元件3。激光束由激光器生成并借助本领域已知的光学元件被朝着所述窗元件3引导并对准射流轴线A。

设备1还包括液体供应连接9，例如泵、管道或类似物，通过液体供应连接9所述设备可被连接到液体供应单元。借助于所述液体供应连接9，液体可被以确定的压力和/或以确定的流速供应到所述设备。在示出的实施例中，液体供应连接被定位在所述壁元件2内。

液体供应连接9与分布腔5开放连通。分布腔5的形式是围绕着射流轴线A延伸的环形。在示出的实施例中，分布腔5具有在包括所述射流轴线A的平面内的矩形横截面。在附图中，这个平面对应于纸张的平面。分布腔5用于围绕着射流轴线A对称地分布通过液体供应连接9供应到设备的液体。

另外，设备1包括加速腔7，加速腔7定位在所述窗元件3和包括喷嘴8的所述喷嘴保持器4之间。加速腔7具有盘形状并且围绕着射流轴线A延伸。液体从所述分布腔5通过连接通道6流入所述加速腔7，连接通道6在示出的实施例被构造为围绕着所述射流轴线A延伸的环形狭缝。

另外，喷嘴保持器4包括圆锥形开口20，其在所述液体射流的传播方向上位于所述喷嘴8下方。这个圆锥形开口20允许液体射流从所述设备1传播出去而不受任何由设备生成的干扰。

分布腔5以及连接通道6都形成在喷嘴保持器4内。

图2是根据图1的设备1的一部分的详细视图。所述部分在图1中由虚线矩形标出。在这个详细视图中，可以看到液体供应连接9借助进口10接入分布腔5内。而且，所述分布腔5具有出口11，出口11将所述分布腔5开放地连接到连接通道6。所述连接通道6通过进口12接入加速腔7。

分布腔5具有第一有效液体流动横截面面积S1，其等于由第一向量14限定的旋转体15（见图3）的表面。所述第一向量14垂直于通过分布腔5的所述出口11的液体的流动方向向量13并且在包括所述射流轴线A的平面内延伸。所述第一向量具有对应于分布腔5的横截面在第一向量14的方向上的最大尺寸的大小。因为分布腔5在限定所述第一向量14的方向的平面内具有矩形横截面，所以用于定义所述第一向量14的大小的尺寸在所述平面内的任何位置都是一样的。

连接通道6具有第二有效液体流动横截面面积S2，其对应于在具有与所述连接通道6内的液体的流动方向向量13平行的法向向量的平面在所述连接通道6在所述平面内的横截面最小的位置处与所述连接通道6之间的相交表面。即，第二有效液体流动横截面面积S2对应于垂直于所述连接通道6内的液体的流动方向的最小面积。

加速腔7具有有效入口横截面S3，其由与射流轴线A同轴地布置的几何圆柱形的圆柱桶17的表面面积定义。圆柱桶17具有对应于射流轴线A与加速腔7的进口12之间的最小距离的半径r，圆柱桶的所述面积被定位在所述加速腔7内。在图10中示出了所述圆柱桶17的示意表示。

图3是图1所示的设备的实施例的第一有效液体流动横截面面积S1的三维示意性表示。在这个附图中，可清楚看到分布腔5的环形形状。分布腔的出口11的形状是围绕所述环形分布腔5的外半径定位的环形狭缝。在这个实施例中，通过分布腔5的所述出口11的流动方向向量13平行于射流轴线A。第一向量14在包括所述射流轴线A的平面F内与所述流动方向向量13垂直。第一向量14的大小对应于分布腔15在所述平面F内的最大尺寸。通过由围绕射流轴线A旋转第一向量14一周生成的旋转体15的表面面积获得第一有效液体流动横截面面积S1。在示出的实施例中，旋转体15是环形，其具有与分布腔5的底部面积相等的表面面积。

图4是根据本发明的设备1的替换的实施例的详细视图。与图1所示的实施例相比，分布腔5的横截面在位于平面F内的横截面中具有多边形形状。如在图4中所示的，第一向量14的大小等于分布腔5在所述平面内在所述第一向量14的方向上的最大尺寸。因为流动方向向量13平行于射流轴线A，所以所得到的旋转体15和图3所示的实施例中一样将是环形。

图5示出了设备1的替换的实施例的横截面。这个实施例大体上与图1所示的实施例相同，除了分布腔5在壁元件2中的布置。因为连接通道6布置在所述喷嘴保持器4内，所以分布腔5也延伸到喷嘴保持器4内，至少在对应于连接通道6的直径的程度上。

图6示出了设备1的又一个替换性实施例。在这个实施例中，分布腔5和连接通道6两者都布置在所述窗元件3内。

图7示出了设备1的另一个替换性实施例。在这个实施例中，多个连接通道6.1-6.7（出于视图的原因仅示出了其中两个连接通道6.1、6.7）被布置在所述分布腔5和所述加速腔7之间。因此，加速腔7具有多个进口12.1-12.7。本质上，连接通道6.1-6.7在所述分布腔5和所述加速腔7之间以轮辐状构造布置。分布腔5、连接通道6.1-6.7和加速腔7围绕着射流轴线A大体都布置在同一水平上。这对第一有效液体流动横截面面积S1的方向有影响，如结合图8和9更详细地解释的。另外，必须注意到，在本实施例中第二有效横截面面积S2是在相应位置处垂直于通过每个连接通道6.1-6.7的液体的流动方向的全部横截面面积16的和，在所述位置处所述横截面面积对于每个连接通道6.1-6.7来说是最小的。

图8示出了根据图7的设备1的一部分的详细视图。所述部分在图7中用虚线矩形标出。与图1所示的实施例相比，通过分布腔5的出口11.1-11.7的流动方向向量13位于平面F上并垂直于射流轴线A。作为示例，示出了一个出口11.7的情况。因为流动方向向量13垂直于射流轴线A，所以第一向量14平行于所述射流轴线A。

如在图9中所示，所得到的旋转体15不是像在图1所示的实施例中得到的旋转体15那样的环形，而是，旋转体15是圆柱桶。该圆柱的高度和它的半径分别由分布腔5的横截面在平面F内在第一向量14的方向上的最大尺寸和第一向量14的径向位置确定。在所示的实施例中，分布腔5在所述平面F内具有矩形横截面，即分布腔5在第一向量14的方向上的尺寸沿着整个平面是不变的。在这种情况下，旋转体15被生成为带有等于射流轴线A和第一向量14之间的最小半径的旋转半径。

在图9上，流动方向向量13垂直于分布腔5的出口11.1-11.6并指向所述射流轴线A，并且第一向量14因此布置成平行于射流轴线A。在该图中用条纹突出了旋转体15的等于第一有效液体流动横截面面积S1的表面面积。

图10示出了加速腔7的入口横截面S3的示意性三维表示，该入口横截面S3与圆柱桶17相同并由圆柱桶17限定。圆柱桶17被布置在所述加速腔7内并与所述射流轴线A同轴。所述圆柱桶的半径r由所述射流轴线A和所述加速腔7的进口12之间的最小距离定义。在所示的实施例中，加速腔7的进口12被构造为环形狭缝。因此， 加速腔7的进口12和射流轴线A之间的最小距离等于所述环形狭缝的内半径。圆柱桶17的表面面积以及因此入口横截面S3可被计算为2πrh，其中h是加速腔的高度，即它沿射流轴线A的尺寸。

图11是图1所示的设备1的实施例的沿着垂直于所述射流轴线A的平面B-B的横截面。如可看到的，第二横截面面积S2或者连接通道6具有环形形状。而且，在这个附图中，可看出喷嘴8和加速腔7的出口18的布置。请注意，喷嘴8具有与所述射流轴线A同轴的喷嘴孔19。

图12和13示出了本发明的设备1的替换性实施例，这些实施例具有多个连接通道6并因此具有多个进口12（在图12和13中未示出）。在图12所示的实施例中，连接通道6都具有半圆形状。在图13所示的实施例中，连接通道6都具有圆形形状。

Claims (7)

1.一种用于生成沿着射流轴线（A）传播的液体射流的设备，所述液体射流引导激光束，所述设备包括：

a）带有用于所述液体的至少一个进口（10）和至少一个出口（11）的分布腔（5），所述分布腔（5）具有围绕所述射流轴线（A）的环形形状，所述分布腔（5）具有第一有效液体流动横截面面积S1（15）；

b）加速腔（7），其具有用于所述液体的至少一个进口（12；12.1-12.7）和一个出口（18）以及对所述激光束透明的窗，以通过所述窗将所述激光束引入到所述加速腔（7）内，其中所述窗被布置成与所述射流轴线（A）共线以使所述激光束的引入能与所述射流轴线（A）同轴，所述加速腔（7）具有入口横截面S3，所述入口横截面S3由布置成与所述射流轴线（A）同轴的几何圆柱形状的圆柱桶（17）的表面面积定义，所述圆柱桶（17）具有对应于所述射流轴线（A）和所述加速腔（7）的所述至少一个进口（12；12.1-12.7）之间的最小距离的半径（r），所述圆柱桶（17）的所述面积被定位在所述加速腔（7）内；

c）具有生成所述液体射流的喷嘴孔（19）的喷嘴（8），所述喷嘴（8）被布置在所述加速腔的所述出口（18）内并且所述喷嘴孔（19）限定了所述射流轴线（A）的方向；

d）从所述分布腔（5）的所述至少一个出口（11）延伸到所述加速腔的所述至少一个进口（12.1-12.7）的连接通道（6；6.1-6.7），所述连接通道（6；6.1-6.7）具有第二有效液体流动横截面面积S2（16）；

e）所述第二有效液体流动横截面面积S2（16）小于所述第一有效液体流动横截面面积S1（15），优选地小一个数量级：

S2/S1 << 1

和

f）所述第二有效液体流动横截面面积S2（16）小于所述入口横截面S3：

S2/S3 < 1

其特征在于，所述设备（1）包括具有中心开口的壁元件（3），其中包括所述喷嘴（8）的喷嘴保持器（4）和包括所述窗的窗元件（3）在所述中心开口内被布置成一个位于另一个上方，所述喷嘴保持器（4）和所述窗元件（3）沿着所述射流轴线（A）彼此间隔开，其间隔限定了所述加速腔（7），其中所述连接通道（6；6.1-6.7）和所述分布腔（5）形成在所述喷嘴保持器（4）内。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述连接通道（6；6.1-6.7）相对于所述射流轴线（A）是旋转对称的。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述连接通道（6.1-6.7）由具有基本上相同的形状和尺寸的至少两个管道组成。

4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述连接通道（6）由与所述射流轴线（A）同轴的一个环形管道组成。

5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，所述加速腔（7）具有圆形圆柱形状，所述圆形圆柱具有的半径大于所述圆柱的高度，其中所述高度优选是<1mm。

6.如权利要求1-5中任一项所述的设备，其特征在于，所述分布腔（5）具有一个进口。

7.如权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，所述窗是形成所述加速腔（7）的壁的至少一部分的透明元件。