CN115151379A - 用于增强的喷射流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种产生可指向工件的增强的喷射流的方法和装置。该增强的喷射流具有更高的能量，允许喷射流去除难以从基材上去除的涂层。加热流与夹带颗粒流组合并通过喷嘴排出。加热流实现将更多的能量赋予涂层。

Description

用于增强的喷射流的方法和装置
背景技术
众所周知，已有利用各种类型的喷射介质的颗粒喷射系统。在输送流体中夹带诸如固体二氧化碳颗粒的低温颗粒并将夹带的颗粒导向物体/目标的系统以及与之相关联的各种部件(比如喷嘴)是众所周知的，并示出在美国专利4,744,181、4,843,770、5,018,667、5,050,805、5,071,289、5,188,151、5,249,426、5,288,028、5,301,509、5,473,903、5,520,572、6,024,304、6,042,458、6,346,035、6,524,172、6,695,679、6,695,685、6,726,549、6,739,529、6,824,450、7,112,120、7,950,984、8,187,057、8,277,288、8,869,551、9,095,956、9,592,586、9,931,639和10,315,862中，所有这些专利的全部内容以参见的方式纳入本文。
此外，于2007年9月11日提交的美国专利申请序列第11/853,194号，具有同步进料器和颗粒发生器的颗粒鼓风系统，美国公开第2009/0093196号；于2012年1月23日提交的美国专利临时申请序列第61/589,551号，用于对二氧化碳颗粒定尺寸的方法和装置；于2012年1月30日提交的美国专利临时申请序列第61/592,313号，用于分配二氧化碳颗粒的方法和装置；于2012年5月18日提交的美国专利申请序列第13/475,454号，用于形成二氧化碳丸粒的方法和装置；于2013年10月24日提交的美国专利申请序列第14/062,118号，包括至少叶轮或偏流器的用于分配二氧化碳颗粒的装置以及使用方法，美国公开第2014/0110510号；于2014年10月16日提交的美国专利申请序列第14/516,125号，用于形成固体二氧化碳的方法以及装置，美国公开第2015/0166350号；于2016年10月19日提交的美国专利申请序列第15/297,967号，喷射介质粉碎机，美国公开第2017/0106500号；于2018年4月24日提交的美国专利申请序列第15/961,321号，颗粒鼓风装置；以及于2019年8月21日提交的美国临时专利申请序列第62/890,044号，颗粒喷射装置和方法，其全部内容都以参见的方式纳入本文。
还众所周知的是夹带非低温喷射介质的颗粒喷射装置，比如但不限于研磨喷射介质。研磨喷射介质的示例包括但不限于碳化硅、氧化铝、玻璃珠、碎玻璃和塑料。研磨喷射介质可能比干冰介质更具侵蚀性，在某些情况下使用效果更好。
混合介质喷射也是已知的，其中多于一种类型的介质被夹带在指向目标的流中。在混合介质喷射的一种形式中，将干冰颗粒介质和研磨介质夹带在单一流中朝向目标引导。
附图说明
附图说明了用于解释本发明原理的实施例。
图1示意地示出了根据本发明的一个或多个教导构造的颗粒喷射系统。
图2示意性地示出了用于向夹带颗粒流添加能量的喷射器。
图3示意性地示出了根据本发明的教导方面的用于审查流过第一流动路径和与第一流动路径连通的第二流动路径的流体动力学的会聚发散构造。
具体实施方式
在下面的描述中，相似的附图标记在多个视图中表示相似或对应的部分。此外，在以下描述中，应当理解，诸如前、后、内侧、外侧等术语是为了方便的词语，且不应理解为限制性术语。本专利中使用的术语并不意味着是限制性的，如本文所述的装置或其部分可以以其他方向附接或使用。更详细地参照附图，描述了根据本发明的教导构造的一个或多个实施例。
应当理解，任何以参见的方式纳入本文的专利、出版物或其他公开材料，无论是全部还是部分，仅在其所纳入的材料不与本公开中提出的现有定义、陈述或其他公开材料相冲突的情况下被纳入本文。因此，在必要的范围内，如本公开明确提出的公开内容将取代以参见的方式纳入本文的任何冲突材料。
许多因素影响着从颗粒喷射系统的喷射喷嘴离开并冲击目标的夹带颗粒流的最终性能。根据本发明的教导，可以将颗粒冲击目标时的动能和流温度视为影响最终性能的因素。本发明提供了一种装置和方法，用于实现工件处的颗粒动能和/或工件处的流温度，从而提供所需的性能。
本发明利用向夹带颗粒流添加能量，从而增加工件处的颗粒动能和/或增加工件处的流动温度。在本文公开的实施例中，能量的添加是通过提供比如为气体的加热流体流并将该加热流体流与夹带颗粒流相组合来实现的。在一个实施例中，加热流体在喷射喷嘴近侧与夹带颗粒流组合。在喷射喷嘴为超声波喷嘴的实施例中，加热流体可以在会聚-发散流动路径的最小喉部区域近侧与夹带颗粒流组合，并且可以紧接在组合流达到1马赫的位置的上游被结合。
图1示意性地示出了包括颗粒喷射装置4的颗粒喷射系统2。颗粒喷射装置4可连接到压缩流体源6，压缩流体通过软管8递送到设置在单元10内的颗粒进料器(未示出)。众所周知，颗粒进料器夹带喷射介质颗粒，在所示实施例中，这些颗粒是二氧化碳颗粒，它从喷射介质颗粒源接纳到输送流体中，且夹带颗粒流通过由递送软管12限定的夹带流动通道流到施加器14，并流出喷射喷嘴18。
来自源6的压缩流体可以是任何合适的输送流体，比如空气，在任何合适的压力下，比如40psig至300psig。输送流体至少在其离开源6之后是流动的流体，其具有足够的动能来传送其中夹带的颗粒。
在所示实施例中，喷射喷嘴18是超声波喷嘴。尽管将喷射喷嘴18描绘为超声波喷嘴，但本发明可与声波和亚声波喷嘴一起使用。
在所示实施例中，喷射器16插设在施加器14与喷嘴18之间。喷射器16可以构造为单独的部件或者是施加器14的整体部分。
系统2包括加热器20，该加热器通过软管22接纳来自源6的压缩流体流，向该压缩流体流添加能量，导致温度升高，并通过由软管24限定的加热流体通道将高能量流体(在此也称为加热流体)递送到喷射器16。加热流到达喷射器16时的温度可以是任何合适的温度，例如750°F。温度范围可以在高于环境温度至并包括750°F的范围内。根据所需的性能和目标，加热流的温度可能高于750°F。
加热器20可以设置在任何合适的位置。在图1中，示意性地示出了靠近喷射器16设置的加热器20，以使加热器20与喷射器16之间的加热流的热损失最小化。可以包括设置在任何合适位置的干燥器(未示出)，以从压缩流体中去除湿气。干燥器可以是源6或加热器20的整体部分。
参照图2，示例性地示出了喷射器16的一个实施例。如上所述，尽管喷射器16示出为单独的部件，但喷射器16的特征和功能可以是施加器14的整体部分。喷射器16包括第一流动路径26(也称为第一流动通道)和第二流动路径28(也称为第二流动通道)。第一流动路径26包括入口30和出口32，其中第一流动路径26内的流体流从入口30流到出口32。喷射喷嘴18(图2中未示出)与出口32流体连通地连接。在所示实施例中，喷射器16的第一流动路径26包括与入口30流体连通的第一部分34，接着是与出口32流体连通的第二部分36。在所示实施例中，第一部分34构造为会聚部分，其起到在下游产生超声波流所需的会聚部分的作用。在替代实施例中，示出为第一部分34的一部分的会聚部分可以设置在入口30的上游，其中入口30直接与第二部分36流体连通。
第二部分36包括沿其长度的大致恒定的横截面积到会聚横截面积。第二部分36可以具有大致恒定的横截面积的一部分，该大致恒定的横截面积的一部分通向会聚横截面积的一部分。当第二部分36是超声波会聚发散通路的一部分时，该第二部分构造成用于系统2的操作条件，其最小横截面积位于出口32附近，在第一流动路径26和第二流动路径28(下文描述)的接合部的下游，使得超声波流中1马赫的位置发生在接合部的下游。达到1马赫后，该流的超声波膨胀主要发生在喷射喷嘴18中。
第二流动路径28包括入口38和出口40，其中通过第二流动路径28的流体流从入口38流到出口40。出口40使第二流动路径28在接合区域42处与第一流动路径26流体连通。在所示实施例中，第二流动路径28包括与入口38流体连通的第一部分44，接着是在接合区域42处与出口40流体连通的第二部分46。在所示实施例中，第一部分44构造为会聚部分，其起到加速第二流动路径28内的流动的作用。在替代实施例中，示出为第一部分44的一部分的会聚部分可以设置在入口38的上游，其中入口38直接与第二部分46流体连通。
第二部分46包括沿其长度的大致恒定的横截面积到会聚横截面积。第二部分46可以具有大致恒定的横截面积的一部分，该大致恒定的横截面积的一部分通向会聚横截面积的一部分。在超声波实施例中，在接合区域42的下游，第一流动路径26和第二流动路径28的组合流将达到1马赫。因此，第二流动路径构造为在流过的流体中不产生1马赫。
在所示实施例中，软管24连接到入口30，使得加热流流过第一流动路径26。带有夹带颗粒的输送气体流通过入口38递送到流动路径28。该构造避免了将导致加热流通过连结角(第一流动路径26与第二流动路径28之间的角)转动的能量损失。连结角应尽可能小，以使通过该角的损失最小化。替代地，带有夹带颗粒的输送气体流可以通过入口30递送到流动路径26，并且加热流通过入口38递送到流动路径28，其中这些流动路径分别构造成用于该流的布置。
在操作中，根据一个实施例，将加热流引导通过第一流动路径26，在其速度由第一部分34或其上游会聚而导致的增加之后到达第二部分36。将该夹带颗粒流导向通过第二流动路径28，在其速度由第一部分44或其上游会聚而引起增加之后到达第二部分46。加热流和夹带颗粒流在接合区域42的近侧处结合，并且由于喷射器16的流动路径的构造，该组合流在接合区域42的下游达到1马赫，该喷射器的流动路径的构造用于流动的设计属性(例如，压力、温度、密度)。
由加热流和夹带颗粒流组成的组合流流过并流出朝向目标工件引导的喷射喷嘴18。在所示实施例中，由于与加热流的组合而添加到夹带颗粒流中的能量产生了比没有添加能量时能量高得多的超声波夹带颗粒流。这种较高的能量可以表现为气流的较高速度、流体的较高温度和/或夹带颗粒的较高动能。气流速度越高，则夹带颗粒的速度越高。
根据本发明，来自系统的合成流能够从基材上去除难以去除的涂层，比如环氧树脂和搪瓷。
夹带在较低输送流体中的低温颗粒不暴露于加热流的温度，直到该流被组合，从而使低温颗粒由于加热流的热能而升华最小化。在所示的超声波实施例中，这紧接着第一流动路径26中1马赫声波平面的上游发生。一旦组合，该流立即加速到1马赫以上。
现在参照图3，它是用于审查流动的流体动力学的会聚发散构造的示意图。如上所述，在所示实施例中，箭头48所示的加热流通过第一部分34的会聚而加速，并进入第二部分36。第二部分36的横截面积对于所需的加热流速度和所需的热量保持是必要的。虽然第二部分36可以在夹带颗粒流的连结之前继续会聚，但应当注意，通过会聚增加加热流的速度会导致温度相应的降低。1马赫发生在声波平面50处的连结区域42下游(示意性地示出了普通冲击波)。声波平面50是各种设计特性的喷嘴的连结点，这些喷嘴可以产生如所示的超声波出口流，或可以产生声波流。在一个实施例中，声波平面50与出口32重合。
如箭头52所示，夹带颗粒流通过在第二部分28上游的会聚而加速。第二部分46的横截面积可实现相对于所提供的总压力和夹带颗粒流的相关质量流量而言的静壁压力的期望降低。在出口40/连结区域42处的静壁压力低于进入第二部分36的夹带颗粒流的总压力。
连结区域54是两股流连结的区域，如果出口横截面积和相应的内部/出口压力能够在出口32处提供扼流声波流动条件，则连结区域54的长度可以接近零。
根据设计，可能存在各种压力和流量。例如，在80PSI下，组合流量可以为60至65CFM。在另一个实施例中，在150PSI下，加热流可以为170CFM。流动特性可能介于两者之间。
加热流和夹带颗粒流的相对流量可以适合于系统的设计和操作参数。在一个实施例中，加热流约占总流量的75％，夹带颗粒流约占总流量的25％。
可以监测流体温度，以优化喷射喷嘴出口的温度。例如，可以在喷嘴18的出口处56监测温度，也可以在声波平面50的上游监测温度，比如在58处通过处理系统60监测温度。处理系统60可以是基于微处理器的或者可以是任何合适的构造，其可以构造为控制加热流的温度和流速以及夹带颗粒流的质量流量、颗粒尺寸和流速。(由处理系统60监测的温度未在图1中示出)
本发明的一个方面是能够将流量保持在露点温度以上。
本发明和所示实施例在与加热流的流动分离的夹带颗粒流中输送低温颗粒，保持夹带颗粒流不受加热流的热影响，直到两种流在喷射器中刚好在组合流流动路径的喉部和从喷射喷嘴的出口之前组合。
施加器14可包括控制元件，其可向处理系统60提供输入或信号，允许操作者控制加热流中的热量，比如作为非限制性示例，无论是通过指定目标感测温度56、58，还是通过设置低温颗粒的特定体积、颗粒质量流量或加热流与夹带颗粒流之间的相对流量。
根据本公开的各个方面，元件、或元件的任何部分、或元件的任何组合可以用包括一个或多个物理装置的“处理系统”来实施，该物理装置包括处理器。处理器的非限制性示例包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSPs)、现场可编程门阵列(FPGAs)、可编程逻辑器件(PLDs)、可编程逻辑控制器(PLCs)、状态机、门控逻辑、离散硬件电路以及构造成执行贯穿本公开描述的各种功能的其他合适的硬件。处理系统中的一个或多个处理器可以致动处理器可执行指令。执行指令以产生结果的处理系统是处理系统，该处理系统构造成执行会导致结果的任务，比如通过向处理系统的一个或多个部件提供指令，该指令将导致这些部件执行某些动作，这些动作要么单独执行，要么与处理系统的其他部件执行的其他动作相组合，从而导致结果。软件应被广义地解释为指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用程序、软件应用程序、软件包、例程、子程序、对象、可执行文件、执行线程、程序、功能等，无论是否被称为软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其他。该软件可以驻留在计算机可读介质上。计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质包括，例如，磁存储装置(例如，硬盘、软盘、磁条)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD))、智能卡、闪存装置(例如卡、棒、钥匙驱动器)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、可移动磁盘以及用于存储可由计算机访问和读取的软件和/或指令的任何其他合适的介质。计算机可读介质可以驻留在处理系统中、驻留在在处理系统外部，或者分布在包括处理系统的多个实体(entity)中。计算机可读介质可以体现在计算机程序产品中。例如，计算机程序产品可以包括包装材料中的计算机可读介质。本领域技术人员将认识到如何根据特定应用和强加于整个系统的总体设计约束来最好地实现贯穿本公开所描述的功能。
明确的定义
“基于”是指某件事情至少部分地由它被指示为“基于”的事物决定。当某件事情完全由某事物决定时，它将被描述为“完全基于”该事物。
“处理器”是指可以构造成单独地或与其他装置组合地执行本公开中阐述的各种功能的装置。“处理器”的示例包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSPs)、现场可编程门阵列(FPGAs)、可编程逻辑器件(PLDs)、可编程逻辑控制器(PLCs)、状态机、门控逻辑和离散硬件电路。短语“处理系统”用于指代一个或多个处理器，其可以包括在单个装置中，或者分布在多个物理装置中。
处理系统“构造成”执行一个或多个动作的陈述是指处理系统包括可用于执行处理系统“构造成”执行的特定行为的数据(可能包括指令)。例如，在计算机(一种“处理系统”)的情况下，在计算机上安装微软WORD，就会将该计算机“构造成”用作文字处理器，它将微软WORD的指令与诸如操作系统和各种外围装置(例如，键盘、显示器等……)的其他输入组合使用。
为了说明和描述的目的，已经给出了本发明的一个或多个实施例的前述描述。本发明不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据以上教导，明显的改型或变型是可能的。选择和描述该实施例是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用场合，从而使本领域普通技术人员能够在各种实施例中最好地利用该发明，并进行适合于预期的特定用途的各种改型。尽管仅详细解释了本发明的有限数量的实施例，但应当理解，本发明的范围不限于前述描述中所述或附图中所示的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施例，并且能够以各种方式来实践或执行。另外，为了清楚起见，还使用了特定的术语。应当理解，每个特定术语包括所有以类似方式操作以达到类似目的的技术等同物。本发明的范围旨在由随附的权利要求书来限定。

Claims (19)

1.一种颗粒喷射系统，其构造成从喷射喷嘴排出夹带颗粒流，所述颗粒喷射系统包括：
a.加热流体源；
b.输送流体源；
c.颗粒进料器，其能连接到所述输送流体源，所述颗粒进料器构造成将颗粒夹带到所述输送流体流中，从而产生夹带颗粒流；
d.喷射器，其包括：
i.第一流动通道，其包括第一流动通道入口和第一流动通道出口；
ii.第二流动通道，其包括第二流动通道入口和第二流动通道出口；以及
iii.接合区域，所述第二流动通道与所述第一流动通道流体在所述接合区域处流体连通；
c.夹带流动通道，其构造成将所述夹带颗粒流从所述颗粒进料器递送到所述第二流动通道；以及
d.加热流体通道，其将所述加热流体源与所述第一流动通道入口连接。
2.根据权利要求1所述的颗粒喷射系统，其特征在于，包括在所述第一流动通道与所述第二流动通道之间的小连结角。
3.根据权利要求1所述的颗粒喷射系统，其特征在于，所述第一流动通道包括与所述第一流动通道入口流体连通的第一部分，所述第一部分包括会聚部分。
4.根据权利要求3所述的颗粒喷射系统，其特征在于，所述第一流动通道包括第二部分，所述第二部分与所述第一流动通道出口流体连通，所述第二部分包括所述接合部分。
5.根据权利要求4所述的颗粒喷射系统，其特征在于，所述第一流动通道构造成在所述颗粒喷射系统的操作期间在所述接合区域的下游产生声波流。
6.根据权利要求5所述的颗粒喷射系统，其特征在于，所述第二部分包括恒定横截面积的一部分，所述恒定横截面积的一部分通向会聚横截面积的一部分。
7.根据权利要求5所述的颗粒喷射系统，其特征在于，所述喷射喷嘴与所述第一流动通道出口流体连通，所述喷射喷嘴构造成使其中的流超声波膨胀。
8.根据权利要求1所述的颗粒喷射系统，其特征在于，所述第二流动通道包括第一部分，所述第一部分包括会聚部分。
9.根据权利要求8所述的颗粒喷射系统，其特征在于，所述第二流动通道包括在所述第一部分下游的第二部分，所述第二部分包括恒定横截面积的一部分，所述恒定横截面积的一部分通向会聚横截面积的一部分。
10.一种从喷射喷嘴排出夹带颗粒流的方法，所述方法包括：
a.提供加热流体流；
b.提供夹带颗粒流；
c.通过在所述喷射喷嘴近侧的第一位置处将所述加热流体流与所述夹带颗粒流相组合来创建组合流；和
d.使所述组合流流过和流出所述喷射喷嘴。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括加速所述第一位置上游的所述加热流体流的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括加速所述第一位置下游的所述组合流的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，加速所述第一位置下游的所述组合流的所述步骤包括将所述组合流加速到1马赫。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，加速所述第一位置下游的所述组合流的所述步骤包括将所述组合流加速到1马赫以上。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述组合流加速到1马赫的所述步骤包括使所述组合流流过会聚流动路径。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，包括将所述组合流加速到1马赫以上的所述步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将所述组合流加速到1马赫以上的所述步骤包括使所述组合流流过发散流动路径。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加热流体流包括约75％的所述组合流。
19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述夹带颗粒流在所述第一位置上游具有总压力，并且在所述第一位置处的静壁压力低于所述总压力。
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