CN112856879B - 一种刮片式冰粒即时制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冰粒气体射流技术领域，具体公开一种刮片式冰粒即时制备装置及方法，包括制冷系统，与制冷系统相连的成冰系统，所述成冰系统上设有液滴生成器，成冰系统设有动力组件，所述成冰系统包括成冰腔，所述成冰腔顶部设有顶板，底部设有收集桶，所述成冰腔轴心位置设有一个旋转轴，旋转轴上活动套接有刀片，所述刀片两侧边缘延伸至成冰腔内侧壁，所述成冰腔侧壁为两层带有空腔的夹套结构，夹套之间的空腔为液氮腔，所述液滴生成器包括多个上下平行设置的针管构件，该设备原理简单，成本较低，对设备要求较低，且可控制冰粒形成的硬度和粒径。

Description

一种刮片式冰粒即时制备装置及方法
技术领域
本发明属于冰粒气体射流技术领域，尤其涉及一种刮片式冰粒即时制备装置及方法。
背景技术
冰粒射流是一种环保、清洁的新型表面处理技术，它是属于喷砂脱漆法的一种，是以冰粒替代传统磨料，在高速流体带动下形成的高速冰粒粒子流，其冰粒在高速气流的带动下，冲击需要加工的表面，完成表面的除漆除锈工作。
对于冰粒射流，决定冰粒射流表面处理效果的是冲蚀性能，影响冲蚀性能的关键因素在于射流中冰粒的物理力学性质，因此制备合适的冰粒是提高冰粒射流冲蚀效果的前提。目前所采用的冰粒气体射流中冰粒的即时制备主要有以下几种方法一是制冷剂直接接触法，二是真空速冷法，三是大冰块物理破碎法，四是过冷水动态结冰法。这些方法存在较大的不足，直接接触式制冰法形成的冰粒硬度较低，冰粒之间易粘结，冰粒的制备效果往往不能达到预期的效果。真空速冷法制取的冰粒间粘结比较严重，实用性较差。大冰块物理破碎法体积较大且不规则、冰粒间的粘结较为严重，生成的冰粒多带有棱角易对机体造成伤害。过冷法形成的冰粒生成率低，对设备要求高。
发明内容
本发明的目的是提供一种刮片式冰粒即时制备装置及方法，该设备原理简单，成本较低，对设备要求较低，且可控制冰粒形成的硬度和粒径。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种刮片式冰粒即时制备装置，包括制冷系统，与制冷系统相连的成冰系统，所述成冰系统上设有液滴生成器，成冰系统设有动力组件，所述成冰系统包括成冰腔，所述成冰腔顶部设有顶板，底部设有收集桶，所述成冰腔轴心位置设有一个旋转轴，旋转轴上活动套接有刀片，所述刀片两侧边缘延伸至成冰腔内侧壁，所述成冰腔侧壁为两层带有空腔的夹套结构，夹套之间的空腔为液氮腔，所述液滴生成器包括多个上下平行设置的针管构件，每个针管构件贯穿成冰腔侧壁并通过卡箍与成冰腔内侧壁固定连接，每个针管构件包括针头，与针头固定连接的柱塞轴以及位于柱塞轴外的针管，所述针管内壁与柱塞轴之间设有真空腔，所述柱塞轴为空心管状，每个柱塞轴尾部设有一个管道，多个管道通过一个总管道与供水箱出水管固定连接。
进一步的，所述制冷系统包括液氮罐，液氮罐通过出口管道与成冰腔侧壁的液氮腔相连通。
进一步的，所述动力组件包括电动机，电动机的输出轴与旋转轴固定连接。
进一步的，所述成冰腔侧壁包括内壁面和外壁面，液氮腔位于内壁面和外壁面之间，内壁面材质为高导热基板，外壁面外侧还设有一层保温棉，且成冰腔侧壁上部还设有气阀和温度传感器，温度传感器另一端设有温度传感器显示器，成冰腔侧壁设有多个预留孔，针管构件通过预留孔与成冰腔内部联通。
进一步的，所述液氮罐的出口管路上设有流量计和开关，电动机也设有电源开关和档位计，所述供水箱出水管路上设有压力脉冲仪、流量计和开关。
进一步的，所述真空腔与柱塞轴之间设有垫圈和密封盖。
一种刮片式冰粒即时制备方法，包括以下步骤：
（1）根据需要制得的冰粒直径，准备不同规格的针头和刀片，将针头与针管相连接，置于成冰腔的预留孔内，密封完整；
（2）取出与旋转轴相接连的顶盖，将准备好的刀片连接至旋转轴上，将成冰系统下端的收集桶置于成冰系统底部；
（3）调整成冰系统上的气阀，使气阀出口最小打开温度传感器的开关和液氮进口阀门，观察温度传感器的示数为-100度时，打开供水箱的压力脉冲仪开关和供水箱的开关，调节供水箱的流量阀；
（4）当供水箱运行正常时，打开电动机的开关，调节转速至最小值，在成冰腔内壁面上形成的冰粒经刀片的作用，脱落至成冰系统的收集桶中，也可直接将收集小桶去掉，放置喷射器直接利用即时制备的冰粒，形成冰粒射流；
（5）在关闭设备时，先停止供水箱的开关和压力脉冲仪开关，再关闭液氮的进口阀门，待液氮的进口流量示数为0，关闭电动机，整个装置停止工作；
（6）若需要制备不同粒径的冰粒时，取不同规格的针头重复步骤（1）-（5），通过加大液氮的流量和减小转动机的转速增大冰粒的温度和硬度。
本发明具有的优点是：
1.本发明提出使用冰粒即时制备新方法，该设备原理简单，成本较低，对设备要求较低，且可控制冰粒形成的硬度和粒径，采用直锥形的冰粒的形成和收集系统，避免了冰粒形成过程中的粘结问题，采用高导热基板作为液滴成冰的依托，避免更多制冷剂的浪费，降低了冰粒形成的时间，大大降低了对制冷剂的耗费，提高了冰粒的生成率和冰粒质量；
2.通过使用本发明装置制备的冰粒的分布方式可以根据成冰系统的结构进行调整，也可根据液滴生成器的分布方式进行自行调控，避免了制冷剂直接接触法生成冰粒产生的冰粒粘结问题；
3.本发明实现了冰粒硬度和温度的控制，通过调控出气口气阀的大小可以控制成冰系统的温度，控制转动机的转速可以实现冰粒脱落速度，进而实现对冰粒温度的控制。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2为针管构件与成冰系统连接处的剖面细节示意图。
1-液氮罐；2-电动机；3-档位计；4-开关；5-成冰腔；6-流量计；7-供水箱；8-液滴生成器；9-压力脉冲仪；12-针管；14-温度传感显示器；15-气阀；16-温度传感器；17-顶板；18-旋转轴；19-刀片；20-收集桶；21-卡箍；22-针头；24-液氮腔；25-内壁面；26-外壁面；27-保温棉；28-真空腔；29-密封盖；30-垫圈；31-管道。
具体实施方式
如图所示，一种刮片式冰粒即时制备装置，包括制冷系统，与制冷系统相连的成冰系统，所述成冰系统上设有液滴生成器8，成冰系统设有动力组件，所述成冰系统包括成冰腔5，所述成冰腔5顶部设有顶板17，底部设有收集桶20，所述成冰腔5轴心位置设有一个旋转轴18，旋转轴18上活动套接有刀片19，所述刀片19两侧边缘延伸至成冰腔5内侧壁，所述成冰腔5侧壁为两层带有空腔的夹套结构，夹套之间的空腔为液氮腔24，所述液滴生成器8包括多个上下平行设置的针管构件，每个针管构件贯穿成冰腔侧壁并通过卡箍21与成冰腔5内侧壁固定连接，每个针管构件包括针头22，与针头22固定连接的柱塞轴以及位于柱塞轴外的针管12，所述针管12内壁与柱塞轴之间设有真空腔28，所述柱塞轴为空心管状，每个柱塞轴尾部设有一个管道31，多个管道31通过一个总管道与供水箱7出水管固定连接，所述制冷系统包括液氮罐1，液氮罐1通过出口管道与成冰腔5侧壁的液氮腔24相连通，所述动力组件包括电动机2，电动机2的输出轴与旋转轴18固定连接。
进一步的，所述成冰腔5侧壁包括内壁面25和外壁面26，液氮腔24位于内壁面25和外壁面26之间，内壁面25材质为高导热基板，外壁面26外侧还设有一层保温棉27，且成冰腔5侧壁上部还设有气阀15和温度传感器1，温度传感器16另一端设有温度传感器显示器14，成冰腔5侧壁设有多个预留孔，针管构件通过预留孔与成冰腔内部联通，所述液氮罐1的出口管路上设有流量计6和开关4，电动机2也设有电源开关和档位计3，所述供水箱7出水管路上设有压力脉冲仪9、流量计和开关，所述真空腔与柱塞轴之间设有垫圈30和密封盖29。
具体使用时，通过液氮罐1提供成冰系统成冰所需要的冷量，通过控制液氮罐1的开关，从而控制进入成冰腔的氮气量，与液氮罐在同一支路的流量计用于观测液氮的输入量，进入成冰系统相变换热的氮气由气阀排出，同时通过调控气阀的出口大小和液氮进口阀门的大小调控成冰系统的温度，气阀上方有与成冰腔内壁面直接接触的温度传感器16，温度传感器16的另一端与温度传感显示器14相连，可直接读出成冰系统的壁面温度，与温度传感器相连的管路上有用于控制显示其开关的阀门，气阀15的下方是与供水箱相连的液滴生成器8，液滴生成器8是采用可更换的不同粒径的针头22生成，针头22采用不同规格粒径，以便实现对液滴粒径的控制，液滴生成器8与成冰系统形成的中孔孔径直接镶嵌，液滴生成器8的底部有与壁面直接接触的防止脱落的卡箍21，液滴生成器8与成冰系统的内壁面相接，液滴生成器8具有经过真空处理的真空腔28，防止液滴在低温环境中冻结，液滴生成器的尾端有垫圈30和密封盖29，管路31 是供水箱的支路直接相连接，通过多支路汇总的主干路上有控制供水的开关和显示供水干路流量的流量阀，与供水箱7直接相连的还有用于控制液滴形成的脉冲压力仪9，成冰系统的中空腔内有与电动机2相连的旋转轴18，与电动机相连的线路上有控制电动机的开关连和控制电动机转速的档位计，旋转轴18与刀片19直接相连，其中刀片19与成冰系统的内腔室直接相切，用于处理在壁面上形成的冰粒，成冰系统的底部连接有收集冰粒的可拆卸的收集桶20，成冰系统上方有可拆卸的顶盖17，成冰系统外部有防止冷量散失的保温棉27。
本发明装置产生冰粒气体射流中冰粒的即使制备包括以下具体步骤：
（1）向供水箱7中加入已经制备好的原料水，准备好液氮罐1与成冰系统相连，并检查整个装置的连接情况，确保连接无误。
（2）根据需要制得的冰粒直径，准备不同规格的针头22和与连轴旋杆18相匹配的无损刀片19，将准备好的针头22与液滴生成器19尾端相连接，放置与成冰腔的预留孔内，密封完整。
（3）取出与旋杆18相接连的顶盖17，将准备好的无损刀片19连接至旋转轴18上，将成冰系统下端的收集桶20置于成冰系统底部。
（4）将已经做好准备工作的旋转轴18与外界的电动机2相连接，调整成冰系统上的出口气阀15，使气阀15出口最小，将已经准备好的液氮罐1与成冰系统的进液口相衔接。
（5）检查液氮罐1和供水箱7的出口阀门，检查整个装置的联通性。
（6）打开温度传感器的开关13和液氮进口阀门，观察温度传感器14的示数，温度为-100度时，打开供水箱的脉冲开关9和供水箱的开关11，调节供水箱的流量阀。
（7）当供水箱运行正常时，打开电动机的开关4，调节转动机3转速至最小值，在基板上形成的冰粒经刀片19的作用，脱落至成冰系统的收集系统20中，也可直接将收集桶去掉，放置喷射器直接利用即时制备的冰粒，形成冰粒射流。
（8）在制得一定粒径的和流量的冰粒之后，先停止供水箱的开关14和脉冲工作9，然后关闭液氮的进口阀门，观察液氮的进口流量示数为0，最后关闭电动机2，整个装置停止工作后，带耐低温的防护手套将成冰系统底部收集的冰粒小桶取下，观察制备的冰粒情况。
（9）若需要至的冰粒粒径不同，取不同规格的针头重复步骤（2）-（8），通过加大液氮的流量和减小转动机的转速增大冰粒的温度和硬度。
本发明提出使用冰粒即时制备新方法，该设备原理简单，成本较低，对设备要求较低，且可控制冰粒形成的硬度和粒径，采用直锥形的冰粒的形成和收集系统，避免了冰粒形成过程中的粘结问题，采用高导热基板作为液滴成冰的依托，避免更多制冷剂的浪费，降低了冰粒形成的时间，大大降低了对制冷剂的耗费，提高了冰粒的生成率和冰粒质量。

Claims (6)

1.一种刮片式冰粒即时制备装置，其特征在于：包括制冷系统，与制冷系统相连的成冰系统，所述成冰系统上设有液滴生成器，成冰系统设有动力组件，所述成冰系统包括成冰腔，所述成冰腔顶部设有顶板，底部设有收集桶，所述成冰腔轴心位置设有一个旋转轴，旋转轴上活动套接有刀片，所述刀片两侧边缘延伸至成冰腔内侧壁，所述成冰腔侧壁为两层带有空腔的夹套结构，夹套之间的空腔为液氮腔，所述液滴生成器包括多个上下平行设置的针管构件，每个针管构件贯穿成冰腔侧壁并通过卡箍与成冰腔内侧壁固定连接，每个针管构件包括针头，与针头固定连接的柱塞轴以及位于柱塞轴外的针管，所述针管内壁与柱塞轴之间设有真空腔，所述柱塞轴为空心管状，每个柱塞轴尾部设有一个管道，多个管道通过一个总管道与供水箱出水管固定连接。
2.如权利要求1所述的刮片式冰粒即时制备装置，其特征在于：所述制冷系统包括液氮罐，液氮罐通过出口管道与成冰腔侧壁的液氮腔相连通；该装置制备冰粒的方法包括以下步骤：
（1）根据需要制得的冰粒直径，准备不同规格的针头和刀片，将针头与针管相连接，置于成冰腔的预留孔内，密封完整；
（2）取出与旋转轴相接连的顶盖，将准备好的刀片连接至旋转轴上，将成冰系统下端的收集桶置于成冰系统底部；
（3）调整成冰系统上的气阀，使气阀出口最小打开温度传感器的开关和液氮进口阀门，观察温度传感器的示数为-100度时，打开供水箱的压力脉冲仪开关和供水箱的开关，调节供水箱的流量阀；
（4）当供水箱运行正常时，打开电动机的开关，调节转速至最小值，在成冰腔内壁面上形成的冰粒经刀片的作用，脱落至成冰系统的收集桶中，也可直接将收集小桶去掉，放置喷射器直接利用即时制备的冰粒，形成冰粒射流；
（5）在关闭设备时，先停止供水箱的开关和压力脉冲仪开关，再关闭液氮的进口阀门，待液氮的进口流量示数为0，关闭电动机，整个装置停止工作；
（6）若需要制备不同粒径的冰粒时，取不同规格的针头重复步骤（1）-（6），通过加大液氮的流量和减小转动机的转速增大冰粒的温度和硬度。
3.如权利要求2所述的刮片式冰粒即时制备装置，其特征在于：所述动力组件包括电动机，电动机的输出轴与旋转轴固定连接。
4.如权利要求3所述的刮片式冰粒即时制备装置，其特征在于：所述成冰腔侧壁包括内壁面和外壁面，液氮腔位于内壁面和外壁面之间，内壁面材质为高导热基板，外壁面外侧还设有一层保温棉，且成冰腔侧壁上部还设有气阀和温度传感器，温度传感器另一端设有温度传感器显示器，成冰腔侧壁设有多个预留孔，针管构件通过预留孔与成冰腔内部联通。
5.如权利要求4所述的刮片式冰粒即时制备装置，其特征在于：所述液氮罐的出口管路上设有流量计和开关，电动机也设有电源开关和档位计，所述供水箱出水管路上设有压力脉冲仪、流量计和开关。
6.如权利要求5所述的刮片式冰粒即时制备装置，其特征在于：所述真空腔与柱塞轴之间设有垫圈和密封盖。
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