CN110167683A - 高效无气喷头设计和使用 - Google Patents

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Abstract

提出了一种基于所选的流体(110)从多个喷头识别喷头(150)的方法。该方法包括选择流体(110)的步骤。流体(110)的特征在于一组给定的物理参数(112)。该方法还包括选择施加压力的步骤(220)。施加压力足以引起流体(110)通过喷头(150)的雾化。该方法还包括基于流体(110)的特性为流体施加器选择喷头(150)的步骤。基于处理流体(110)的能力来选择喷头(150)。选择喷头(150)以使得流体在104‑106s‑1的剪切率范围内具有在10mPa s量级的粘度以确保前孔口下游的湍流流动。

Description

高效无气喷头设计和使用
背景技术
不同的流体具有指示雾化速率和雾化图案的不同物理性质。对于应用喷雾系统的普通消费者来说，确定实现均匀喷雾图案所需的条件可能是困难的。
发明内容
提出了一种基于所选流体从多个喷头识别喷头的方法。该方法包括选择流体的步骤。流体的特征在于一组给定的物理参数。该方法还包括选择施加压力的步骤。施加压力足以引起流体通过喷头的雾化。该方法还包括基于流体的特性为流体施加器选择喷头的步骤。基于处理流体的能力来选择喷头。选择喷头以使得流体在104-106s-1的剪切率范围内具有约10mPa s的粘度以确保前孔口下游的湍流流动。
以上发明内容不旨在描述本公开的每个所示实施例或每种实施方式。
附图说明
包括在本申请中的附图被并入并形成说明书的一部分。所述附图示出了本公开的实施例，并且与具体实施方式一起用于解释本公开的原理。附图仅是对某些实施例的说明，并不限制本公开。
图1A和图1B示出了根据本发明一个实施例的流体喷涂施加器和系统。
图2是根据本发明的一个实施例的将一层均匀的流体施加到一表面的方法的流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的为给定流体设计喷头的方法的流程图；以及
图4-13示出了用于确定不同流体的喷头的特性的一个示例性模拟。
虽然本发明的实施例可以被修改成各种变形和替换形式，但是其细节已经通过附图中的示例被示出并且将被详细描述。然而，应该理解，意图不是将本发明限制于所描述的具体实施例。相反，其目的是涵盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
不同的流体具有诸如粘度的不同物理参数。例如，在涂料系列中，不同的涂料、底漆、外涂层等都具有不同的性质。另外，不同的流体可以具有基于温度或基于剪切率的粘度。为了在表面上实现流体的均匀喷射图案，必须雾化流体。可以以各种方式实现雾化。一种特殊方式是使用无气喷射系统。在这种系统中，可能需要例如通过前孔口(pre-orifice)在雾化孔的上游实现湍流流体流动。具体的技术设计和流体动力学的理解有助于设计提供改进的喷射图案结果的喷射系统和方法，例如本文所述的喷射系统和方法。
因此，例如由于不同的粘度、施加温度等，不同的流体应用可受益于不同的喷头设计。本文所述的至少一些实施例允许基于具体的流体应用的已知参数设计流体喷头。因此，可以基于待施加的流体产生不同的喷头设计。例如，在2016年10月20日公布的美国专利申请公开No.2016/0303585A1中描述的喷头设计中的至少一些被设计以与其他相比对于一些流体具有更好的施加结果，其中所述专利申请通过引用在此全文并入供参考。
图1A和图1B示出了根据本发明的一个实施例的流体喷涂施加器和系统。图1A示出了例如用于喷漆系统的喷枪10。涂料或另一种示例性流体通过喷枪入口20进入，并在穿过喷枪10内的流体通道(未示出)后从喷枪出口50排出。在一个实施例中，喷头(未示出)附接到出口50以产生期望的喷射图案。喷头可以包括基于已知的流体和施加特性而设计的喷头前孔口设计，如下面更详细描述的。喷头可以作为内部部件内置在喷枪10中。可选地，喷枪10可以被构造成可互换地接纳具有不同前孔口设计的不同喷头，每一种设计都被构造成基于待喷流体的预期性质和/或施加条件而提供优异的性能。可以选择喷头，以使得在出口50处，流体的湍流流动增加。
图1B示出了根据本发明的一个实施例的流体喷射系统100，特别是无空气系统。流体喷射系统100说明性地从流体源110取出流体以施加在目标表面160上。流体源100可以包括具有一个或多个流体参数112的流体。例如，密度、粘度等。此外，这种参数中的每一个都可能随温度和/或湿度而变化。
来自流体源110的流体被提供给泵120，流体在所述泵120处被加压。例如，可以将流体加压至施加压力。可选地，流体可以通过泵120被过度加压，以便补偿与泵120和施加器140之间的输送机构相关的压力损失。在一些实施例中，离开泵120的流体的压力由使用者手动设定。例如，低压系统可以包括低于3000PSI的施加压力。
流体喷射系统100还包括加热器130，所述加热器用于在施加之前将流体加热到给定温度。将流体加热到期望的施加温度可能有助于确保从一种用途到另一种用途的一致的施加图案。例如，一些涂料具有与温度有关的粘度，因此当使用者在冷的施加条件下施加时与在暖和的施加条件下施加时，可能具有不同的表现。因此，将流体加热到一致的温度，并在固定的温度下喷射流体，可以有助于减少喷射图案从一种用途到另一种用途的偏差。然而，可明确预期的是可以实施省略加热器的实施例，例如，如果流体施加将在环境温度下发生。在这种情况下，泵120可以将流体直接输送到施加器140。
流体喷射系统100还包括施加器140。施加器140可包括喷头150，所述喷头可以具有一个或多个喷头参数152。喷头参数152可以包括例如材料成分以及内部几何结构设计。基于流体参数112，不同的喷头152的内部几何结构可以允许一种流体相对于另一种流体具有更好的性能。喷头152可以例如基于流体参数112被设计成在确保流体在从施加器140输送到目标表面160之前具有足够的湍流流动。
例如，喷头可以接连地包括湍流室、膨胀室、收缩室或多个这样的室。可以基于具体流体的预期用途来选择或以其他方式确定喷头参数152，例如使得期望的流体在施加在目标表面160上之前达到期望的湍流水平。例如，流体喷射系统100的用户可以获得可互换喷头152的套件，以使得喷头可以用于不同的流体。使用优化的喷头或专门为不同流体设计的喷头可以有助于确保用户实现期望的流体喷射图案。
成功的流体喷射系统设计需要考虑多个元件，包括喷头、施加到表面160的流体的流体流变性、以及流变改性选项。流体应具有与在低压下施加一致的流变性，特别是在所需剪切率范围内的足够粘度。流变改性机制(例如，加热)可以有助于对于给定施加调节流体流变性。在一个实施例中，通过使用改性剂或添加剂，可以改善涂料的剪切稀化行为。增加的剪切稀化行为可以产生改善的喷射图案。例如，由(陶氏化学公司，其总部位于密歇根州米德兰市)提供的ACRYSOLTM系列改性剂可以增加剪切稀化，并可以产生假塑性流变性分布。假塑性流体是非牛顿流体，当剪切率增加时，所述非牛顿流体会失去粘性，但在剪切率降低时会，所述非牛顿流体恢复粘性。
一种潜在的添加剂是DOW-ACRYSOL-ASE改性剂。ASE增稠剂往往具有高分子量，这允许有效的增稠。另一种潜在的添加剂是DOW-ACRYSOL-ASE-60-ER，该添加剂是一种可以抵抗沉淀和流挂的高剪切稀化流变改性剂。DOW-ACRYSOL-HASE改性剂是另一种有效的强剪切稀化改性剂。此外，还可以使用其他改性剂。
本文所述的系统和方法中的至少一些可以与美国专利申请公开No.2016/0303585中所述和所示的一个或多个喷头一起使用。
图2示出了根据本发明的一个实施例的将一层均匀的流体施加到一表面的方法。方法200可以与流体喷射系统100一起使用以例如将来自流体源100的流体施加到目标表面160(图1B中所示)。然而，虽然在喷射系统100的背景下描述了方法200，但是所述方法也可以在其他适当的系统内被实施。例如，可以基于待施加的流体的流体特性以及施加参数(例如，温度、湿度等)来选择喷头150。
在方框210处，选择施加喷头并将所述施加喷头附接到施加器。例如，可以基于一个或多个流体特性来选择喷头150，如方框202中所示。另外，可以基于喷头参数152来选择喷头150，其中所述喷头参数152可以实现流体的期望的雾化特性，如方框124块中所示。另外，可以基于已知的流体剪切稀化行为选择喷头150以增加具体的流体性能(例如，实现特定剪切率)，如方框206中所示。另外，对于给定施加，其他流体特性可能会影响喷头的选择，如方框208中所示。在一个实施例中，选择施加喷头包括从喷头套件中选择一个喷头，套件中的每个喷头都被构造为在不同的施加场景中使用。
在方框220中，设置施加压力。如方框212中所示，可以基于流体特性设定施加压力。另外，可以选择施加压力以实现期望的雾化特性，如方框214中所示。例如，可能需要在足够高的压力下喷射流体以完全雾化分配的流体。然而，也可能期望低压力。例如，可能期望约1,000PSI或更低的低压力。另外，可以选择施加压力以确保获得足够的流量以在具体设计的喷头中产生湍流流动，从而导致流体的特定剪切稀化行为，如方框216中所示。另外，然而，压力可以由其他约束界定，如方框218中所示。
在方框230中，设定施加温度。例如，不同的流体可以具有与温度有关的粘度，使得必须将流体加热至所需的温度以实现流体的一致且均匀的施加。例如，在一个实施例中，流体被加热到所需温度并在整个操作期间以该固定温度被喷射。在一个实施例中，可以基于流体特性设置施加压力，如方框222中所示。在另一个实施例中，施加温度可以通过流体的雾化特性来设定，如方框224中所示。另外，在另一个实施例中，考虑剪切和温度的相关性，被选择以确保流体粘度的施加温度落在期望的范围内，如方框226中所示。然而，其他约束可以指示对于给定施加流体在什么温度下被施加到表面，如方框228中所示。
在方框240中，将流体均匀地施加到表面。例如，用户接合施加器(例如施加器140)的触发器，从而允许流体流动通过施加器，与喷头152的内部流动路径相互作用，并且到达目标表面160上。
图3示出了根据本发明的一个实施例的为给定流体设计喷头的方法。方法300可以是有用的，例如，假设流体具有已知性质和流动特性。不同的流体具有不同的特性，因此喷头必须被设计成适应不同流体的不同特性。例如，不同的流体在喷头内需要不同的几何结构，以在施加之前获得所需的湍流量。喷头几何结构的一些示例在美国专利申请公开2016/0303585 A1中被描述。
方法300可以用于设计喷头，例如图1中所示的喷头150，所述喷头例如具有用于特定流体源110的特定喷头参数152。在至少一个实施例中，喷头150被设计成具有不同的喷头参数152以适应特定的流体，以使得喷头A比喷头B更有利地与流体A一起使用，而喷头B可以比喷头A更有利地用于流体B。
在方框310中，确定流体流变性。例如，不同的流体在不同的条件下具有不同的雷诺数，所述雷诺数是流体性质和操作条件的函数。在一个实施例中，确定流体流变性包括确定在不同条件下流体的雷诺数，如方框302中所示。另外，确定流体流变性可以包括确定给定流体的雾化特性，如方框304中所示。还需要确定其他流体流变特征，如方框306中所示。例如，相对于不同温度的流体粘度可以有助于确定所需的喷头构造和所需的施加温度。另外，对于给定的一组施加参数，可能需要在不同剪切率下的诸如粘度的流体特性以为流体设计喷头。
在方框320中，针对给定流体调整流动参数。例如，可以调节流体的一些流动参数。调整流体的粘度，如方框314中所示，例如可以包括为流体的施加选择适当的温度，以使得为施加实现所需的粘度。另外，可以针对给定流体调整湍流特征，如方框316中所示。湍流特征可以包括确定适当的内部几何结构以包括流体在喷头内流过的膨胀室和收缩室。另外，可以针对给定流体调整压力，如方框318中所示。
在方框330中，喷头被设计成具有适合于流体流变性的特征，特别是考虑到流体的剪切稀化行为。例如，一系列前孔口室的尺寸可以被设计成对于具有适当设计的剪切稀化行为的流体实现湍流流动。例如，相对于标准喷头，喷头的总长度可以增加或减少。另外，内部室的直径可以改变，或者可以改变膨胀/收缩率以实现期望的湍流。
根据本发明的另一个方面，流体流变性由正在施加的流体的物理参数的多个方面确定。如上所述，不同的流体在不同的条件下具有不同的雷诺数，并且在不同的流体条件下表现出不同的流体性质。调节流体的粘度可以以多种方式实现，例如，通过调节填料、聚合物和分散颗粒的给定混合物。在一个实施方案中，调节流体流变性包括在不同条件或配方下调节流体的雷诺数。另外，调节流体流变性可以包括调节给定流体的雾化特性。其他流体流变特征也可以是可调节的。例如，可以凭经验或通过模拟数据确定流体相对于不同温度的粘度，从而可以选择施加温度。确定的参数可以用于所需的喷头和所需的施加温度。另外，不同压力下的流体特性可能受到针对施加流体被调整的剪切稀化参数的影响。例如，对于给定流体可以通过调节聚合物分散参数来调节剪切率。另外，对于流体可以通过调节分散速率、填料颗粒、聚合物性质或流体的其他成分来调节湍流特征。对于喷头的膨胀和收缩部分，可以通过适当的几何结构来建议湍流特征。
图4-14示出了用于确定不同流体的喷头的特性的一个示例性模拟。模拟可以例如与方法300结合用于针对给定流体确定适当的喷头几何结构和操作约束。另外，可以模拟给定压力和内部喷头几何结构以便以改进的雾化结果和所需的喷射图案接收待处理流体的物理参数。提供图4-14中所呈现的示例仅用于说明目的，并且不应该被认为是限制本发明的任何方面或本文所述的任何系统和方法。
执行模拟以确定流过两个不同的喷头的流体所经历的剪切率和应变率。第一喷头是喷头A，以商品名NGA 519标识。第二喷头是喷头B，以商品名标识。对于两种类型的喷头，水和涂料在1450 PSI的压力下被喷涂。涂料的特性描述于美国专利申请公开No.2007/129469中。Wagner NGA喷头被设计成相对于雾化孔口具有湍流入口条件，其不存在与被设计成用于与‘469专利申请公开中描述的涂料(以下分别称为‘469喷头和‘469涂料)一起使用的喷头中，其中所述专利申请公开中没有前孔口。从涂料流变性的角度来看，NGA喷头需要通过前孔口转变成湍流，而‘469喷头仅在前孔口之后转变。在所示示例中使用的喷头中的每个都包括猫眼雾化孔口。上游湍流允许NGA喷头在1000PSI或更低的压力下喷射，这是许多涂料喷射器例如针对效率、材料节省和过喷涂减少的理想条件。
图4示出了通过NGA519喷头的‘469涂料的模拟流动的结果400。模拟结果表明，NGA519喷头中的主要剪切率范围为104-106s-1。当然，存在具有较低剪切的区域和具有较大剪切的区域(例如，非常靠近表面)。104-106s-1的剪切率范围是边界层中的相当大量的流体和离开前孔口的湍流射流所经历的。这也是特征应变率范围。然后确定该范围适合于水和‘469涂料两者，因此被认为主要受材料的体积流量和喷头的长度尺度控制。因此，为了使前孔口正常操作，有利的是当剪切率在104-106s-1的范围内时，涂料具有导致局部雷诺数接近1500的粘度。因此，有利的是在10-4-10-6s-1的剪切率范围内涂料的动态粘度为在10mPa°s量级。这将促进NGA前孔口中的湍流流动，这允许在减小的压力下进行喷射。这也有望提高‘469喷头中的低压雾化。
目前，根据实验室测量，‘469涂料具有比临界剪切率范围内的期望值大约一个数量级的粘度。这导致NGA 519喷头中的前孔口下游的层流，如结果400中所示。该层流在图4中被示出，其中图4显示了NGA喷头内的时间平均应变率。较亮区域强调层状边界层(应变率在104-106s-1范围内，除了应变率大得多的固体表面之外)。该层流与喷水时发生的湍流流动形成对比。
通过NGA 519喷头喷射的水的模拟结果500在图5中被示出。对于水，没有观察到边界层的清晰边缘，这是因为前孔口已经产生了湍流流动。在猫眼孔口附近观察到湍流的影响，其中在所述猫眼孔口附近，在整个流体横截面中存在非零应变率。
层流和湍流流动之间的性能差异也可以通过应变率600和700的体积直方图来观察，其中图6示出了‘469涂料的体积直方图，而图7示出了水的体积直方图。对于‘469涂料，所有实现的应变率导致湍流能量的消散。因此，经历给定应变率的涂料的总体积随应变率单调递减。然而，对于水，观察到体积密度的峰值以105s-1为中心。出现该峰值是因为水的粘度在适当的应变率范围内足够低而产生湍流，所述湍流在相应的湍流长度尺度中引入了额外的体积浓度。
NGA 519喷头将不会在给定操作点处特别好地喷射‘469涂料。这是因为在104-106s-1的临界剪切率范围内的‘469涂料粘度太大而不能产生湍流流动。
考虑到这些信息，可以更好地设计‘469涂料的流变性。需要两件事情：在低剪切率下确保涂料在墙壁上干燥时或在施加到刷子/辊时不会流动的高粘度、以及在104-106s-1的剪切率范围内为在10mPa°s量级的粘度。这两个参数应该确保湍流流动并因此有利于喷涂性能，并且可以通过修改以实验的方式生成的‘469涂料的幂律表达式来实现。
需要粘度表达式来进行水和‘469涂料的模拟。为了产生表达式，将实验测量的粘度作为剪切率的函数进行曲线拟合，如图8中的结果800所示。运行的两个实验性试验具有不同的幂律关系。选择试验2使剪切率更适合于无空气喷涂。为了生产更有利于无空气喷涂的涂料，必须增加指数的大小。换句话说，需要放大涂料的剪切稀化行为。通过曲线拟合实验数据产生的指数项具有-0.261的值。由附图标记810示出的试验1具有y＝30088x0.599的曲线拟合，且R2值为0.9912。由附图标记820表示的试验2具有y＝3690.8x0.261的曲线拟合，R2值为0.9828。
如图9中所示，由附图标记910表示的‘469外观值被修改为-0.35和-0.45，示为幂律1和幂律2，分别由附图标记920和930表示。两种改性形式都表明在低剪切率下的高粘度，这确保了涂料一旦被喷涂则将牢固地粘附到墙壁/辊/刷子上。两种改性形式也呈现水样940的结果。
当前‘469涂料的模拟导致层流，而两种改性的‘469流体的模拟导致湍流流动。两种改性流体的应变率的体积分布的直方图分别作为应变率分布1000和1100出现在图10A和图11A中。流体的相应应变率轮廓分别作为轮廓1050和1150在图10B和图11B中被示出。两种情况都具有恰好低于105s-1的湍流长度尺度的特征分布。指数为-0.35的情况说明了更粘稠的流动，因此具有不太明显的峰值，且在较低的应变率下开始消散。该结果支持以下所述的假设：增加涂料的剪切稀化行为有可能改善NGA喷头的喷涂性能。由于低剪切率下的粘度与目前的‘469涂料实际上没有变化，因此改性不应影响滚涂或刷涂的性能。
在图12和图13中所示的分别作为轮廓1200和1300的‘469喷头还被认为可能会改变涂料流变性以改善雾化行为。众所周知，较少粘性的流体更容易雾化，这表明以上针对NGA519喷头所讨论的改进也可以改善‘469喷头的性能。
图12示出了在1450 PSI下喷射水的一个‘469喷头的横截面1200。以应变率显示轮廓。类似于NGA 519喷头，观察到在104-106s-1附近的应变的突出。该应变率仅保留在猫眼孔口的下游，其中所述猫眼孔口的下游是将发生主雾化的区域，并且在该处将确定喷涂图案的大规模拓扑特征(线、尾、图案形状等)。因此，有利的是涂料在该应变率附近具有减小的粘度。
图13示出了在使用‘469涂料时的结果。再次观察到相同大小的应变的突出，但也观察到更厚的边界层。较厚的边界层是由与水相比具有较高粘度的‘469涂料引起的。然而，在猫眼孔口的下游，应变率看起来与水的情况非常类似。
对于高压喷头，期望的是结果在定性上与用本文所述的‘469喷头所示的结果相同。然而，预计应变率会略微升高，壁应变率会更大，边界层中的应变率也会更大。重要的应变范围将落在104-106s-1之间，这是因为对于相同尺寸的喷头，材料流动仅会增加约20％。
虽然已经针对两种不同类型的涂料提出了一个示例，但是还应该理解，类似的方法可以应用于其他流体施加，包括其他类型的涂料、底漆、涂层等。

Claims (20)

1.一种基于所选的流体从多个喷头识别喷头的方法，所述方法包括：
选择所述流体，其中所述流体的特征在于一组给定的物理参数；
选择施加压力，其中所述施加压力足以引起通过所述喷头的所述流体的雾化；
基于所述流体的特性为流体施加器选择所述喷头，其中基于处理所述流体的能力选择所述喷头，其中选择所述喷头以使得所述流体在104-106s-1的剪切率范围内具有在10mPa s量级的粘度以确保前孔口下游的湍流流动。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
选择施加温度，其中基于所述流体的粘度选择所述施加温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体施加器包括双喷嘴。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述给定的物理参数包括所述流体在不同温度下的雷诺数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理参数包括雾化特性。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理参数包括所述流体在不同温度下的粘度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理参数包括在不同剪切率下的粘度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，基于被构造成诱发所述流体的湍流流动的内部几何结构来选择所述喷头。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述施加压力以诱发所述流体的湍流流动。
10.一种喷头套件，包括多个喷头，其中所述多个喷头中的每一个都被构造成雾化流体施加器中的流体，每一个喷头都包括：
前孔口，所述前孔口具有入口和出口；和
流动路径，所述流动路径在所述入口与所述出口之间延伸，所述流动路径包括内部几何结构，所述内部几何结构包括膨胀室和收缩部分，其中所述内部几何结构使所述流体在所述前孔口的下游经历湍流流动；以及
其中所述喷头套件中的每个喷头都被设计成使得选定的流体在104-106s-1的剪切率范围内具有在10mPa s量级的粘度。
11.根据权利要求10所述的喷头，其中，所述喷头被构造成在升高的施加温度下被使用，其中所述升高的温度被选择以实现所述流体的粘度。
12.根据权利要求10所述的喷头，其中，所述喷头包括猫眼雾化孔口。
13.根据权利要求10所述的喷头，其中，所述喷头被构造成使得所述流体施加器在等于或低于2000PSI的喷射压力下操作。
14.根据权利要求10所述的喷头，其中，所述喷头被构造成使得所述流体施加器在等于或低于1000PSI的喷射压力下操作。
15.根据权利要求10所述的喷头，其中，所述内部几何结构被构造成减少所述流体从所述流体施加器的过喷。
16.一种将流体施加到目标表面的方法，所述方法包括：
将喷头附接到流体施加器，其中选择所述喷头以在前孔口的下游诱发所述流体的湍流流动；
设定所述流体施加器的施加压力，其中基于所述流体的第一特性选择所述施加压力；
设定所述流体施加器的施加温度，其中基于所述流体的第二特性选择所述施加温度；和
接合所述流体施加器并施加所述流体，其中当被施加时，所述流体在104-106s-1的剪切率范围内具有在10mPa s量级的粘度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述施加压力等于或低于1000PSI。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一特性包括所述流体的剪切稀化行为。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二特性包括所述流体的粘度。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述喷头包括内部几何结构，所述内部几何结构被构造成诱发所述流体的湍流流动。
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