CZ301715B6

CZ301715B6 - Zarízení pro ultrazvukový vodní paprsek a zpusob generování pulzujícího proudu vody

Info

Publication number: CZ301715B6
Application number: CZ20060191A
Authority: CZ
Inventors: M. Vijay@Mohan; Yan@Wenzhuo; Tieu@Andrew; Ren@Baolin
Original assignee: Vln Advanced Technologies Inc.
Priority date: 2003-11-03
Filing date: 2003-11-03
Publication date: 2010-06-02
Also published as: EP1682286B1; ES2345545T3; US7594614B2; PT1682286E; JP4718327B2; DE60332399D1; US20120061485A1; US20070063066A1; CA2543714C; US20110089251A1; CA2543714A1; US8387894B2; CN1878620A; CZ2006191A3; ATE465825T1; CN1878620B; JP2007523751A; US8006915B2; US8360337B2; AU2003280253A1

Abstract

Zarízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek zahrnuje prívod (24, 82) vysokotlaké vody pro vstup proudu vysokotlaké vody, ultrazvukový generátor (21) pro generování vysokofrekvencních elektrických pulzu, rídicí jednotku (23) pro rízení frekvence elektrických pulzu a ultrazvukovou trysku (60). Ultrazvuková tryska (60) zahrnuje menic (62) pro prijímání vysokofrekvencních elektrických pulzu z ultrazvukového generátoru (21) a pro ultrazvukové pulzování v závislosti na vysokofrekvencních elektrických pulzech a mikrojehlu (64) pro ultrazvukové pulzování a generování pulzujícího proudu vody. Mikrojehla (64) zahrnuje patu (67) spojenou s menicem (62), utesnenou prírubu (69), spojenou s patou (67) pro izolování menice (62) od proudu vysokotlaké vody a drík (65) spojený s patou (67) a usporádaný po proudu smerem k výstupnímu otvoru (91) trysky (60). Zpusob generování pulzujícího proudu vody zahrnuje privedení vysokotlaké vody do ultrazvukové trysky prívodem vysokotlaké vody, generování vysokofrekvencních elektrických pulzu ultrazvukovým generátorem, rízení frekvence elektrických pulzu rídicí jednotkou, privedení vysokofrekvencních elektrických pulzu do menice, který ultrazvukove pulzuje a je spojený s patou mikrojehly, jejíž drík ultrazvukove pulzuje a moduluje vysokotlakou vodu a tak generuje pulzující proud vody.

Description

Oblast techniky

Předložený vynález se obecně týká vysokotlakých vodních paprsků pro čištění a řezání, a zejména vysokofrekvenčně modulovaných vodních paprsků.

io Dosavadní stav techniky

Vysokotlaké vodní paprsky spojitého proudu jsou ze stavu techniky v oblasti Čištění a řezání velmi dobře známé. V závislosti na konkrétní aplikaci může být vodní tlak požadovaný pro vytváření vysokotlakého vodního paprsku v řádu od několika desítek MPa (několika tisíců liber na Čtverečný palec (psi)) pro kvalitativně vyhovující čisticí práce do stovek MPa (desítek tisíců liber na Čtverečný palec (psi)) pro řezání a odstraňování zpevněných povlaků.

Příklady systémů pro vysokotlaký vodní paprsek spojitého proudu pro řezání a čištění jsou popsané a zveřejněné v amerických patentech US 4 787 178 (Morgan a kol.), US 4 966 059 (Landeck), US 6 533 640 (Nopwaskey a kol.), US 5 584 016 (Varghese a kol.), US 5 778 713 (Butler a kol.), US 6 021 699 (Caspar), US 6 126 524 (Shepherd) a US 6 220 529 (Xu). Další příklady lze nalézt v evropských patentových přihláškách EP 0 810 038 (Munoz) a EP 0 983 827 (Zumstein), jakož i v amerických patentových přihláškách US 2002/0109017 (Rogers a kol), US 2002/0124868 (Rice a kol.) a US 2002/0173220 (Lewin a kol.).

Technologie vysokotlakého vodního paprsku spojitého proudu, jejichž příklady jsou uvedené shora, trpí určitými nevýhodami, které systémy pro vysokotlaký vodní paprsek spojitého proudu činí nákladné a těžkopádné. Osoby obeznámené se stavem techniky musí nutně dojít k závěru, že zařízení vysokotlakého vodního paprsku spojitého proudu musí být proto, aby bylo schopné odo30 lávat extrémně vysokým vodním tlakům, robustně konstruované. V důsledku toho jsou tryska, vodní potrubí a armatura rozměrné, těžkopádné a nákladné. Kromě toho je pro vytváření ultravysokotlakého vodního paprsku potřebné nákladné ultra-vysokotlaké vodní Čerpadlo, které dále zvyšuje náklady a to ve smyslu jak investičních nákladů na takové Čerpadlo, tak nákladů na energii spojenou s provozem takového čerpadla.

V odezvě na uvedené nedostatky vodních paprsků spojitého proudu byla vyvinuta ultrazvuková pulzační tryska pro vydávání vysokofrekvenčně modulované vody v nespojitých, prakticky navzájem oddělených vodních blocích nebo brocích. Z publikace Μ. M. Vijay „Design and development of prototype pulzed waterjet machine for the removal of hard coatings“ je známa ultrazvuková tryska, která je podrobně popsaná a příkladně znázorněná v americkém patentu US 5 134 347 (Vijay) ze 13. října 1992. Ultrazvuková tryska popsaná v americkém patentu US 5 134 347 převádí ultrazvukové vibrace z ultrazvukového generátoru na ultravysoké mechanické kmitání způsobilé udělovat vodnímu paprsku během jeho procházení skrze trysku tisíce pulzů za sekundu. Pulzy vodního paprsku předávají na povrch, který má být řezán nebo čištěn, hydraulický tlakový ráz. V důsledku tohoto prudkého bombardování vodními broky, z nichž každý na cílový povrch předává hydraulický tlakový raz, se enormně zvyšuje erozní výkonnost vodního paprsku. Ultrazvuková pulzační tryska je takto při řezání nebo Čištění, ve srovnání se stavem techniky známými vodními paprsky spojitého proudu, způsobilá docílit mnohem účinnější řezání nebo čištění.

Teoreticky řečeno, erozním tlakem zasahujícím cílový povrch je ustálený tlak, tj. ‘^pv² (kde p představuje hustotu vody a v představuje nárazovou rychlost vody při dopadu na cílový povrch). Naproti tomu tlak vznikající v důsledku jevu hydraulického rázu je pcv (kde c předsta-1 CZ 301715 B6 vuje rychlost zvuku ve vodě, která je přibližně 1524 m/s). Teoretické zvýšení dynamického tlaku (tj. tlaku při dopadu) dosahovaného pulzováním vodního paprsku je tudíž 2c/v. Při zanedbání zpomalení v důsledku působení vzduchu a za předpokladu, že se nárazová rychlost blíží rychlosti vypuzování tekutiny 460 m/s (1500 stop za sekundu), je zvětšení dynamického tlaku přibližně 6 až 7 násobné. Při vzetí v úvahu zpomaleni v důsledku působení vzduchu a nárazové rychlosti přibližně 300 m/s by pak teoretické zvětšení bylo desetinásobné.

Ve skutečnosti, s ohledem na důsledky ztrát třením a další snížení účinnosti uděluje ultrazvuková pulzační tryska popsaná v americkém patentu US 5 154 347 přibližně 6 až 8 násobně vyšší dynaio mický tlak při dopadu na cílový povrch pro daný zdroj tlaku. Pro docílení stejné erozní výkonnosti potřebuje pulzační tryska pro svou pracovní činnost pouze zdroj tlaku, jehož výkon je 6 až násobně menší. Vzhledem k tomu, že je možné použít pulzační trysku s mnohem menším a méně nákladným čerpadlem, je tato tryska z ekonomického hlediska hospodárnější než tryska vysokotlakého vodního paprsku spojitého proudu. Navíc, vzhledem k tomu, že je tlak vodního paprsku v trysce, potrubí a armatuře u ultrazvukové trysky mnohem menší, je možné tuto ultrazvukovou trysku navrhnout lehčí a méně těžkopádnou, a efektivněji z hlediska nákladů.

Ačkoli ultrazvuková tryska popsaná v americkém patentu US 5 154 347 představuje v technologii řezání a čištění vodním paprskem v podstatě zásadní průlom, bylo přihlašovatelem zjištěno, že je žádoucí její další propracování a zdokonalení. První opětovné použití ultrazvukové trysky, která je popsaná v americkém patentu US 5 154 347, prokázalo, že není úplně optimální, protože je použita v kombinaci s doposud používanými generátory vodního paprsku. Proto vyvstala potřeba kompletního zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek, které zahrnuje výhodu ultrazvukové trysky.

Jako žádoucí se rovněž ukázala potřeba modifikovat ultrazvukovou trysku tak, aby byla účinnější z hlediska dynamiky tekutin, aby byla schopná zajistit mnohem účinnější čištění a odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchů, a aby byla pro koncového uživatele lepší z hlediska ergonomie.

Ve světle shora zmiňovaných nedostatků by tudíž bylo velmi žádoucí poskytnout zdokonalené zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek.

Podstata vynálezu

Hlavním cílem předloženého vynálezu je překonat alespoň některé z nedostatků shora zmiňovaného stavu techniky.

Tohoto cíle se dosahuje zařízením pro ultrazvukový vodní paprsek zahrnujícím přívod vysokotla40 ké vody pro vstup proudu vysokotlaké vody, ultrazvukový generátor pro generování vysokofrekvenčních elektrických pulzů, řídicí jednotku pro řízení frekvence elektrických pulzů a ultrazvukovou trysku, která zahrnuje měnič pro přijímání vysokofrekvenčních elektrických pulzů z ultrazvukového generátoru a pro ultrazvukové pulzování v závislosti na vysokofrekvenčních elektrických pulzech a mikrojehlu pro ultrazvukové pulzování a generování pulzujícího proudu vody, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mikrojehla zahrnuje patu spojenou s měničem, utěsněnou přírubu, spojenou s patou pro izolování měniče od proudu vysokotlaké vody a dřík spojený s patou a uspořádaný po proudu směrem k výstupnímu otvoru trysky.

Výše uvedeného cíle se dosahuje také způsobem generování pulzujícího proudu vody, který zahrnuje přivedení vysokotlaké vody do ultrazvukové trysky přívodem vysokotlaké vody, generování vysokofrekvenčních elektrických pulzů ultrazvukovým generátorem, řízení frekvence elektrických pulzů řídicí jednotkou, přivedení vysokofrekvenčních elektrických pulzů do měniče, který ultrazvukově pulzuje a je spojený s patou mikrojehly, jejíž dřík ultrazvukově pulzuje a moduluje vysokotlakou vodu a tak generuje pulzující proud vody.

-2CZ 301715 B6

Podle jednoho aspektu předloženého vynálezu se tak poskytuje zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek zahrnující generátorovou jednotku, která má ultrazvukový generátor pro generování a vysílání vysokofrekvenčních elektrických pulzů; řídicí jednotku pro ovládání ultrazvukového generátoru; přívod vysokotlaké vody spojený se zdrojem vysokotlaké vody; a výstup vysokotlaké vody spojený s přívodem vysokotlaké vody. Dále toto zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek zahrnuje hadici vysokotlaké vody spojenou s výstupem vysokotlaké vody a stříkací pistoli spojenou s hadicí vysokotlaké vody. Stříkací pistole má ultrazvukovou trysku s měničem pro přijímání vysokofrekvenčních elektrických pulzů z ultrazvukového generátoru, přičemž tento měnič převálo dí elektrické pulzy na kmitání pro pulzování vodního paprsku proudícího skrze trysku za vytváření vodního paprsku pulzovaných vodních broků, kde každý vodní brok je způsobilý předávat na cílový povrch hydraulický tlakový ráz.

Měnič je s výhodou piezoelektrický nebo piezomagnetický a má tvar válcového nebo trubkovi15 tého jádra.

Stříkací pistole je s výhodou ruční a dále zahrnuje spoušť pro aktivování ultrazvukového generátoru, jehož prostřednictvím se vodní paprsek spojitého proudu transformuje na pulzovaný vodní paprsek. Kromě toho stříkací pistole dále zahrnuje spoušť vypouštěcího ventilu pro otevírání vypouštěcího ventilu umístěného v generátorové jednotce.

Zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek má s výhodou hadici stlačeného vzduchu pro chlazení měniče a kabel ultrazvukového signálu pro přenos elektrických pulzů z ultrazvukového generátoru do měniče.

Pro Čištění nebo odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchů zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek zahrnuje rotační tryskovou hlavu nebo trysku s množstvím výstupních otvorů. Rotační trysková hlava rotuje s výhodou samočinně v důsledku působení točivého momentu generovaného dvojicí vnějších proudů nebo v úhlu orientovanými výstupními otvory,

Výhodou předloženého vynálezu je, že zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek generuje mnohem vyšší a účinnější dynamický tlak než vodní paprsek spojitého proudu, což zvyšuje výkonnost zařízení pro čištění, řezání, odstraňování otřepů, odstraňování povlaků a rubání. V důsledku pulzování vodního paprsku dopadá na cílový povrch sled vodních broků, přičemž každý vodní brok předává na cílový povrch hydraulický tlakový ráz. Pro daný zdroj tlaku je hydraulický tlakový ráz mnohem vyšší než ustálený tlak vodního paprsku spojitého proudu. Zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek může tudíž pří řezání a odstraňování otřepů, čištění a odstraňování povlaků, jakož i rubání horniny a hornině podobných materiálů pracovat s mnohem menším zdrojem tlaku. Zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek je tak, ve srovnání s běžně používanými systémy pro vodní paprsek spojitého proudu mnohem účinnější, robustnější, a z hlediska vytvoření méně nákladné a více využitelné.

Podle dalšího aspektu předloženého vynálezu se poskytuje ultrazvuková tryska pro použití v zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek. Tato ultrazvuková tryska zahrnuje měnič pro převádění vysokofrekvenčních elektrických pulzů na mechanické kmitání, které pulzuje vodní paprsek proudící skrze trysku za vytváření vodního paprsku pulzovaných vodních broků, kde každý vodní brok je způsobilý předávat na cílový povrch hydraulický tlakový ráz. Tryskaje pro čištění nebo odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchů opatřená rotační tryskovou hlavou nebo množstvím výstupních otvorů.

Podle dalšího aspektu předloženého vynálezu se poskytuje ultrazvuková tryska pro použití v zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek, zahrnující měnič pro přeměňování vysokofrekvenčních elektrických pulzů na mechanické kmitání, které pulzuje vodní paprsek proudící skrze trysku za vytváření vodního paprsku pulzovaných vodních broků, kde každý vodní brok je způsobilý pře-3CZ 301715 B6 dávat na cílový povrch hydraulický tlakový ráz, přičemž tento měnič má mikrojehlu s těsněním pro oddělení měniče od vodního paprsku, kde těsnění je umístěné v uzlové rovině, ve které je amplituda stojatých vln vyvolávaných podél mikrojehly nulová.

Podle dalšího aspektu předloženého vynálezu se poskytují příbuzné způsoby řezání, čištění, odstraňování otřepů, odstraňování povlaků a rubání hornině podobných materiálů ultrazvukem pulzovaným vodním paprskem. Každý způsob zahrnuje následující kroky: puzení vysokotlakého vodního paprsku spojitého proudu skrze trysku; generování vysokofrekvenčních elektrických pulzů; vysílání vysokofrekvenčních elektrických pulzů do měniče; převádění vysokofrekvenč10 nich elektrických pulzů na mechanické kmitání; pulzování vysokotlakého vodního paprsku spojitého proudu za jeho transformování na pulzovaný vodní paprsek navzájem oddělených vodních broků, kde každý vodní brok je způsobilý předávat na cílový povrch hydraulický tlakový ráz; a směrování pulzovaného vodního paprsku na cílový materiál, V závislosti na požadované aplikaci se ultrazvukem pulzovaný vodní paprsek může použít pro řezání, čištění, odstraňování otře15 pů, odstraňování povlaků nebo rubání.

Tam, kde je příslušnou aplikací čištění nebo odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchů, zahrnuje zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek s výhodou trysku s množstvím výstupních otvorů nebo s rotační tryskovou hlavou.

Přehled obrázků na výkresech

Další charakteristické znaky a výhody předloženého vynálezu budou zřejmé z následujícího podrobného popisu s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých:

obr. 1 představuje zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek mající mobilní generátorovou jednotku spojenou s ruční stříkací pistolí podle provedení předloženého vynálezu;

obr. 2 představuje blokové schéma znázorňující fungování mobilní generátorové jednotky;

obr. 3 představuje fungování zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek ve schematickém znázornění;

obr, 4 představuje mobilní generátorovou jednotku, znázorněnou v půdorysném pohledu shora;

obr. 5 představuje mobilní generátorovou jednotku, znázorněnou v bokorysném pohledu zezadu;

obr. 6 představuje mobilní generátorovou jednotku, znázorněnou v bokorysném pohledu z levé strany;

obr. 7 představuje ultrazvukovou trysku s piezoelektrickým měničem pro použití v zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 8 představuje ultrazvukovou trysku namontovanou na kolovém podvozku pro použití pri čištění nebo dekontaminování spodku vozidla, znázorněnou v bokorysném pohledu;

obr. 9 představuje ultrazvukovou trysku v pohledu v řezu, detailně znázorňujícím boční kanál pro přívod vody a uspořádání mikrojehly pro modulování vodního paprsku;

obr. 10 představuje mikrojehlu mající tvar osazeného válce, znázorněnou v bokorysném pohledu;

-4CZ 301715 B6 obr. 11 představuje trysku s množstvím výstupních otvorů pro použití ve druhém provedení zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 12 představuje třetí provedení zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek s rotační tryskovou hlavou, která rotuje v důsledku působení točivého momentu generovaného dvěma vnějšími proudy, znázorněné ve schematickém v řezu;

obr. 13 představuje rotační tryskovou hlavu s v úhlu orientovanými výstupními otvory, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 14 představuje variantu rotační tryskové hlavy, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 15 představuje další variantu rotační tryskové hlavy, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 16 představuje ultrazvukovou trysku se zapuštěným magnetostrikčním měničem, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 17 představuje magnetostrikční měnič $ válcovým jádrem, znázorněný ve schematickém pohledu v řezu;

obr. 18 představuje ultrazvukovou trysku s magnetostrikčním válcovým jádrem, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 19 představuje ultrazvukovou trysku s magnetostrikčním trubkovitým jádrem, znázorněnou v pohledu v řezu;

obr. 20 představuje rotační trysku se dvěma výstupními otvory a s nepohyblivou cívkou, znázorněnou v pohledu v řezu; a obr. 21 představuje rotační trysku se dvěma výstupními otvory a s točnou, znázorněnou v pohledu v řezu.

Je třeba poznamenat, že na všech připojených výkresech jsou stejné znaky označené stejnými vztahovými značkami.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněné provedení zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek podle předloženého vynálezu. Zařízení pro ultrazvukový vodní paprsek, které je obecně označené vztahovou značkou 10, má mobilní generátorovou jednotku 20 (rovněž známou jako generátor nucené pulzovaného vodního paprsku). Mobilní generátorová jednotka 20 je přes hadici 40 vysokotlaké vody, hadici 42 stlačeného vzduchu, kabel 44 ultrazvukového signálu a kabel 46 spouštěcího signálu spojená s ruční stříkací pistolí 50, Hadice 40 vysokotlaké vody a hadice 42 stlačeného vzduchu jsou zapouzdřené v otěru odolném nylonovém rukávu. Kabel 44 ultrazvukového signálu je z bezpečnostních důvodů uspořádaný uvnitř hadice 42 stlačeného vzduchu. Stlačený vzduch se používá pro chlazení měniče, který bude uvedený a popsaný dále.

Ruční stříkací pistole 50 má spoušť 52 pulzování a spoušť 54 vypouštěcího ventilu a také ultra50 zvukovou trysku 60. Ultrazvuková tryska 60 má měnič 62, kterým je buď piezoelektrický měnič, nebo piezomagnetický měnič. Piezomagnetický měnič je zhotovený z magnetostrikčního materiálu, například takového jako je slitina Terfenol™.

-5CZ 301715 B6

Jak je znázorněno na obr. 2, mobilní generátorová jednotka 20 má ultrazvukový generátor 21, který generuje vysokofrekvenční elektrické pulzy, typicky řádově 20 kHz. Ultrazvukový generátor 21 je poháněný přívodem 22 elektrické energie a ovládaný řídicí jednotkou 23 (která je rovněž poháněná přívodem elektrické energie, s výhodou zdrojem 220 V). Kromě toho má mobilní generátorová jednotka přívod 24 vysokotlaké vody, který je spojený se zdrojem vysokotlaké vody (není znázorněný, je však známý ze stavu techniky). Přívod vysokotlaké vody je spojený s rozdělovacím kusem 25 potrubí vysokotlaké vody. Pro měření tlaku vody slouží měřidlo vysokotlaké vody, které je rovněž spojeno s rozdělovacím kusem 25 potrubí vysokotlaké vody. Kromě toho je s rozdělovacím kusem potrubí vysokotlaké vody spojený také vypouštěcí io ventil 27. Vypouštěcí ventil 27 je uváděný do činnosti solenoidem 28, který je ovládaný řídicí jednotkou 23. Vypouštěcí ventil je z důvodu odlehčení stříkací pistole a zeslabeni účinku trhavých sil při spuštění vypouštěcího ventilu na uživatele umístěný, namísto na stříkací pistoli, na mobilní generátorové jednotce 20. A konečně snímač a hlídač 29 tlaku vysokotlaké vody, který poskytuje zpětnovazební signál pro řídicí jednotku.

S odvoláním na obr. 2, mobilní generátorová jednotka 20 má dále přívod 30 vzduchu pro přivádění stlačeného vzduchu ze zdroje stlačeného vzduchu (není znázorněný, ale je známý ze stavu techniky). Přívod 30 vzduchu je spojený s rozdělovacím kusem 31 potrubí vzduchu, manometrem 32 vzduchu, a snímačem a hlídačem 33 tlaku vzduchu, který poskytuje zpětnovazební signál pro řídicí jednotku. Kromě toho řídicí jednotka přijímá spouštěcí signál přes kabel 46 spouštěcího signálu. Řídicí jednotka 23 mobilní generátorové jednotky 20 je navržená tak, že nezajišťuje pouze bezpečnost obsluhy, ale současně také ochranu citlivých součástí zařízení. Jestliže, například, nedochází k proudění vzduchu skrze měnič, a k proudění vody skrze stříkací pistoli, pak není možné spustit ultrazvukový generátor,

Jakje znázorněno na obr. 2, mobilní generátorová jednotka 20 má výstup 40a vysokotlaké vody, výstup 42a stlačeného vzduchu a výstup 44a ultrazvukového signálu, které jsou přes hadici 40 vysokotlaké vody, hadici 42 stlačeného vzduchu a kabel 44 ultrazvukového signálu, v uvedeném poradí, spojené s ruční stříkací pistolí 50,

Na obr. 3 je znázorněné blokové schéma zapojení a elektrické instalace zařízení 10 pro ultrazvukový vodní paprsek. Hadice stlačeného vzduchuje dimenzovaná na 0,69 MPa (100 psi) a uvnitř nese kabel ultrazvukového signálu, který je dimenzovaný pro přenášení vysokofrekvenčních pulzů 3,5 kV, Vzduchová hadice a kabel ultrazvukového signálu jsou přes přípojku spojené s měničem ve stříkací pistoli. Hadice vysokotlaké vody je dimenzovaná na maximální hodnotu 138 MPa (20. 000 psi) a je spojená se stříkací pistolí, avšak, jakje na obrázku znázorněno, na výstupní straně měniče. Kabel spouštěcího signálu, který je dimenzovaný pro přenášení signálů

VAC, 0,7 A, spojuje spoušť a generátorovou jednotku.

Jakje znázorněno na obr. 3, zařízení jO pro ultrazvukový vodní paprsek má několik bezpečnostních znaků. Všechny elektrické zásuvky jsou buď odpružené, nebojsou zajištěné maticemi. Jak již bylo uvedeno shora, jsou vodní a vzduchová hadice z důvodu ochrany proti opotřebení a porušení zapouzdřené v otěru odolném nylonovém rukávu. Kromě toho, pří neočekávané události, při které dojde k poškození vzduchové hadice jejím nahodilým vystavení působení vodního paprsku, se napětí v kabelu ultrazvukového signálu prostřednictvím snímače a spínače tlaku vzduchu okamžitě sníží na nulu,

Obr. 4, 5 a 6 představují sestavu mobilní generátorové jednotky 20 včetně detailního znázornění jejích jednotlivých součástí. Mobilní generátorová jednotka 20 má sestavu 34 vzduchového filtru pro ochranu měniče proti prachu, oleji a nečistotám. Solenoid 28 je spražený se sestavou pneumatického pohonu 35 pro uvádění vypouštěcího ventilu do Činnosti. Sestava pneumatického pohonu zahrnuje vzduchový ventil 35a, vzduchový válec 35b, sací ventil 35c vzduchového válce a výtlačný ventil 35d vzduchového válce. Kromě toho mobilní generátorová jednotka 20 dále

-6CZ 301715 B6 zahrnuje držák 36 přívodu vody/vzduchu, držák 37 výstupu vody/vzduchu, závěs 38 potrubí, hlídač 29 tlaku vody, hlídač 33 tlaku vzduchu a držák 39 hlídačů tlaku vody/vzduchu.

S odvoláním na obr. 7, ultrazvuková tryska 60 zařízení JO pro ultrazvukový vodní paprsek využí5 vá piezoelektrický měnič nebo piezomagnetický (magnetostrikční) měnič 62, který je za účelem modulování, nebo pulzování, vodního paprsku spojitého proudu vystupujícího z tryskové hlavy 66 spojený s mikrojehlou 64 resp. „měničem rychlosti“, v důsledku čehož transformuje vodní paprsek spojitého proudu na pulzovaný vodní paprsek. Ultrazvuková tryska tvoří to, co je ze stavu techniky známé jako „pulzováním modifikovaný vodní paprsek“ nebo jako pulzovaný vodío ní paprsek. Pulzovaný vodní paprsek je proud nebo sled vodních bloků nebo vodních broků, z nichž každý předává na cílový povrch hydraulický tlakový ráz. Vzhledem k tomu, že je hydraulický tlakový ráz podstatně vyšší než ustálený tlak vodního paprsku spojitého proudu, je pulzovaný vodní paprsek při řezání, čištění, odstraňování otřepů, odstraňování povlaků a rubání mnohem účinnější.

Ultrazvuková tryska může být buď namontovaná na ruční stríkací pistoli, viz znázornění na obr. 1, nebo může být nainstalovaná na počítačem řízeném X-Y portálu (pro přesné řezání nebo obráběcí operace). Ultrazvuková tryska může být rovněž, jak je znázorněno na obr. 8, namontovaná na kolovém podvozku 70. Kolový podvozek 70 je opatřený rukojetí 72, točnou 74 a dvojitou rotující tryskou 76. Kolový podvozek podle obr. 8 je možné použít pro čištění nebo dekontaminování spodní strany podvozku vozidla.

Vodní paprsek spojitého proudu vstupuje do trysky, jak je znázorněno na obr. 7, skrze přívod vody uspořádaný na výstupní straně měniče. Jak je znázorněno na obr. 7 a obr. 9, voda do ultra25 zvukové trysky 60 vstupuje skrze boční kanál 80, který je uspořádaný v průtokovém spojení s přívodem 82 vody. Voda tak nedopadá přímo na štíhlý konec mikrojehly 64, což je důležité, protože toto uspořádání zabraňuje vyvolávání škodlivých příčných vibrací mikrojehly. Příčné vibrace mikrojehly způsobují přerušování vodního paprsku a mohou ve svém důsledku vést ke zlomení mikrojehly.

Ačkoli může mikrojehla vykazovat různý tvar (kuželovitý, exponenciální atd.), upřednostňovaným tvarem mikrojehly je osazený válec, příkladně znázorněný na obr. 10, který je jednoduchý pro výrobu, je dlouhodobě odolný a poskytuje dobrou dynamiku tekutin. Mikrojehla je s výhodou zhotovená ze slitiny titanu. Slitina titanu je použitá jednak kvůli její vysoké rychlosti zvuku, a jednak proto, že poskytuje maximální amplitudu kmitů hrotu mikrojehly. Jakje znázorněno na obr. 10, mikrojehla 64 vykazuje patu 67 a dřík 65. Pata 67 je opatřená vnitřním závitem pro spojení s měničem. Dřík 65 je Štíhlý a umístěný na výstupní straně tak, že může přicházet do styku s a modulovat vodní paprsek. Jak může být rovněž seznatelné z obr. 10, je mezi patou 67 a dříkem 65 umístěná příruba 69. Příruba 69 vymezuje uzlovou rovinu 69a. Průchod zvukových vln ve směru proudu (podle obr. 10 ve směru z levé strany doprava) ajejich odrážení se na hrotu vyvolává v mikrojehle vlnění charakteru stojatých vln. V uzlové rovině 69a je amplituda stojatých vln nulová a je proto optimálním místem pro umístění těsnicího O-kroužku (není znázorněn), jehož účelem je těsnění vysokotlaké vody. Těsnicí O-kroužek je dimenzovaný na tvrdost 85 stupňů podle Shoreho nebo vyšší.

Jak může být seznatelné z obr. 7, má ultrazvuková tryska 60 jediný výstupní otvor 6L Tryska s jediným výstupním otvorem je využitelná pro řadu aplikací, například pro řezání a odstraňování otřepů z různých materiálů, stejně tak, jako pro rubání hornině podobných materiálů. Při aplikacích jako je čištění nebo odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchových ploch však jediný výstupní otvor působí při jednom průchodu pouze na úzký pás povrchu. Proto je pro aplikace jako je Čištění nebo odstraňování povlaků, například nátěrů, laků, smaltů nebo rzi, užitečné opatřit druhé provedení, ve kterém má ultrazvuková tryska množství výstupních otvorů. Ultrazvuková tryska 60 se třemi výstupními otvory 61a je znázorněná na obr. 11. Mikrojehla je opatřená třemi hroty pro modulování vodního paprsku, který je tak hnaný skrze tři paralelně

-7CZ 301715 B6 uspořádané výstupní otvory. Tryska s trojitým výstupním otvorem podle obr. 11 je takto způsobilá čistit nebo odstraňovat povlaky v širším pásu povrchu než tryska s jediným výstupním otvorem. Jak je znázorněno na obr. 11, je tryska s vícenásobným výstupním otvorem připevněná k tělesu 60b trysky maticí 60a. Na obr. 11 je znázorněno, jak je mikrojehla 64 zakončená třemi hroty 64a, vždy jedním pro každý ze třech výstupních otvorů 61a.

Ve třetím provedení, které je znázorněné na obr. 12, má ultrazvuková tryska 60 rotační tryskovou hlavu 90, která ultrazvukové trysce 60 výslovně umožňuje účinné čištění nebo odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchových ploch. Rotační trysková hlava 90 rotuje samočinně v důsledio ku toho, že je voda vypouštěna do dvou vnějších proudů 92. Vypouštěná voda generuje točivý moment, který ve svém důsledku způsobuje otáčení uvedených vnějších proudů 92, které zase způsobuje rotování rotační tryskové hlavy 90. V tomto provedení je objem vodního paprsku hnaný skrze jeden nebo skrze dva uhlově natočené výstupní otvory 9k V závislosti na materiálu, který se má čistit, vnější proudy buď mohou, nebo nemusí, přispívat k procesu čištění. Mezi měničem a rotační tryskovou hlavou je vložená akusticky odpovídající točna 94, Tato točna 94 není určená pouze k přenášení tlaku, ale zároveň k akustickému přizpůsobení zbytku systému za účelem docílení rezonance. Točna 94 buď může, nebo nemusí, být opatřená regulátorem rychlosti, například tlumičem otáčení, jehož účelem je omezování úhlové rychlosti rotační tryskové hlavy.

Samočinné rotování rotační tryskové hlavy 90 je možné docilovat, jak je znázorněno na obr. 13, 14 a 15, měněním úhlu orientace výstupních otvorů 9T V důsledku nuceného vypuzování vodního paprsku z výstupních otvorů se generuje točivý moment, který způsobuje rotování rotační tryskové hlavy. Za účelem omezování úhlové rychlosti rotační tryskové hlavy 90 může být v točně 94 nainstalován tlumič otáčení. Provedení znázorněná na obr. 13,14 a 15 jsou využitelná zejména v omezených prostorech. Pro čištění a odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchů je rovněž tak možné použít jedinou kmitající trysku.

Pro práce pod vodou se namísto piezoelektrického měniče, který není možné ponořovat do vody, používá piezomagnetický měnič. Piezomagnetický měnič 62 je totiž možné, na rozdíl od piezoelektrického měniče, nainstalovat dovnitř trysky 60. Piezomagnetický měnič je zhotovený z magnetostrikčního materiálu, například z jedné na trhu dostupných slitin Terfenol™. Magnetostrikční měniče zhotovené z materiálu na bázi slitin Terfenol jsou kompaktní a způsobilé, jak může být seznatelné z obr. 16, zanoření do trysky. Zatímco piezoelektrický měnič generuje mechanické kmitání v odezvě na působící kmitající elektrické pole, magnetostrikční materiál mechanické kmitání generuje v odezvě na působící magnetické pole (prostřednictvím cívky a proudově polarizovaného magnetu, viz znázornění na obr. 17). Pro zajištění spolehlivého fungování je však důležité udržovat magnetostrikční materiál pod Curieho teplotou a vždy pod tlakem. Zatímco tlakové zatížení je možné aplikovat prostřednictvím koncových desek, znázor40 něných na obr. 17, vyžaduje chlazení za účelem udržování teploty magnetostrikčního materiálu pod Curieho bodem, zejména pro zde popsané aplikace, použití, v závislosti na aplikaci, jednoho z několika různých postupů.

Na obr. 17 je znázorněná jedna sestava uspořádání magnetostrikčního měniče 62. Jako magneto45 strikční jádro 100 je zde použitá slitina Terfenol™. Toto jádro 100 je, viz uvedené znázornění, obklopeno koaxiálně uspořádanými cívkou 102 a proudově polarizovaným magnetem 104. Zatěžovací deska 106, pružina 107 a koncová deska 108 udržují sestavu pod tlakem.

Pro krátkodobé aplikace, které nevyžadují rotační tryskovou hlavu, je provedení znázorněné na obr. 16 postačující. V tomto provedení je měnič chlazený proudem vzduchu, stejně jako v případě piezoelektrického měniče (například stlačeným vzduchem hnaným přes měnič).

Pro dlouhodobé operace nebo pro práce s rotačním uspořádáním je typ chlazení proudem vzduchu nevyhovující. Pro každý náročný případ je možné použít provedení znázorněná na obr. 18,

-8CZ 301715 B6

19,20 a 21. Jak je znázorněno na obr. 18, je tyč z Terfenolu chlazená vysokotlakou vodou protékající skrze prstencový kanál. Naproti tomu v provedení znázorněném na obr. 19 má Terfenol tvar trubky 100a, který dále zvyšuje účinek chlazení. Trubka z Terfenolu je, stejně jako předtím, uspořádaná uvnitř cívky 102 a proudově polarizovaného magnetu 104. Provedení znázorněná na obr. 18 a 19 je možné použít pro nerotaění uspořádání s vícenásobným výstupním otvorem.

Pro rotační tryskové hlavy zahrnující dva nebo více výstupních otvorů jsou provedení znázorněná na obr. 20 a 21 více vyhovující. Jak je znázorněno na obr. 20 a 21, je vysokotlaká voda puzená skrze přívod 82, pulzovaná a poté vypuzovaná přes dva výstupní otvory trysek 76. Každý výstupní otvor má vlastní tnikrojehlu 64, resp. „sondu“, kteráje rozkmitávaná magnetostrikčním měničem 62. V provedení na obr. 20 trysková hlava rotuje, zatímco cívka 102 zůstává nehybná. V provedení na obr. 21 tryska rotuje za použití shora popsané točny 74. Výsledkem je rozdělování pulzovaného vodního paprsku na dva proudy pro účinné čištění nebo odstraňování povlaků z rozsáhlých povrchových ploch.

Shora popsaná provedení předloženého vynálezu jsou zamýšlená pouze jako příkladná. Nárokovaný rozsah vynálezu je vymezený jen a pouze rozsahem připojených patentových nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

25 1. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek zahrnuj ící přívod (24, 82) vysokotlaké vody pro vstup proudu vysokotlaké vody, ultrazvukový generátor (21) pro generování vysokofrekvenčních elektrických pulzů, řídicí jednotku (23) pro řízení frekvence elektrických pulzů,

30 ultrazvukovou trysku (60), která zahrnuje:

měnič (62) pro přijímání vysokofrekvenčních elektrických pulzů z ultrazvukového generátoru (21) a pro ultrazvukové pulzování v závislosti na vysokofrekvenčních elektrických pulzecha tnikrojehlu (64) pro ultrazvukové pulzování a generování pulzujícího proudu vody, vyznačující se tím, že mikrojehla (64) zahrnuje:

patu (67) spojenou s měničem (62), utěsněnou přírubu (69), spojenou s patou (67) pro izolování měniče (62) od proudu vysokotlaké vody a dřík (65) spojený s patou (67) a uspořádaný po proudu směrem k výstupnímu otvo45 ru (91) trysky (60).
2. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že dřík (65) mikrojehly (64) má špičku ve tvaru komolého kužele a zasahuje do zužující se části výstupního otvoru (91).

-9CZ 301715 B6
3. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 2, vyznačující se tím, že výstupní otvor (91) dále zahrnuje oblast se stejným průřezem, uspořádanou po proudu za zužující se částí.

s
4. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 3, vyznačující se tím, že výstupní otvor (91) dále zahrnuje rozšiřující se část uspořádanou po proudu za oblastí se stejným průřezem,
5. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se io t í m , že přívod (24, 82) vysokotlaké vody je propojen s prstencovým prostorem, obklopujícím dřík (65) mikrojehly (64).
6. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že pata (67) zahrnuje závit pro upevnění dříku (65) a pro umožnění výměny dříku (65).
7. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že měnič (62) je piezomagnetický nebo piezoelektrický.
8. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se

20 t í m, že řídicí jednotka (23) je propojena s měřidlem (26) vysokotlaké vody pro měření tlaku vody na přívodu (24, 82) vysokotlaké vody.
9. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje vypouštěcí ventil (27) vody a pohon (35) pro otevírání a uzavírání vy25 pouštěcího ventilu (27).
10. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje hadici (42) stlačeného vzduchu pro poskytování stlačeného vzduchu pro chlazení měniče (62),
11. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje kabel (44) ultrazvukového signálu pro přenos elektrických pulzů z ultrazvukového generátoru (21) do měniče (62), přičemž kabel (44) ultrazvukového signálu je alespoň částečně uložený uvnitř hadice (42) stlačeného vzduchu.
12. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že ultrazvuková tryska (60) má množství výstupních otvorů (91).
13. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek podle nároku 12, vyznačující se

40 t í m, že mikrojehla (64) zahrnuje množinu hrotů (64a), z nichž každý je uspořádán ve zužující se části příslušného z množiny výstupních otvorů (91).
14. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek s rotující hlavou, zahrnující

45 přívod (24, 82) vysokotlaké vody pro vstup proudu vysokotlaké vody ultrazvukový generátor (21) pro generování vysokofrekvenčních elektrických pulzů, řídící jednotku (23) pro řízení frekvence elektrických pulzů, ultrazvukovou tiysku (60), která zahrnuje:

50 měnič (62) pro přijímání vysokofrekvenčních elektrických pulzů z ultrazvukového generátoru (21) a pro ultrazvukové pulzování v závislosti na vysokofrekvenčních elektrických pulzech a

-10CZ 301715 B6 mikrojehlu (64) pro ultrazvukové pulzování a generování pulzujícího proudu vody, vyznačující se tím, že

5 mikrojehla (64) zahrnuje:

patu (67) spojenou s měničem (62), utěsněnou přírubu (69), spojenou s patou (67) pro izolování měniče (62) od proudu vysokotlaké vody a

10 dřík (65) spojený s patou (67) a uspořádaný po proudu směrem k výstupnímu otvoru (91) trysky (60) a rotační tryskovou hlavu (66) s výstupním otvorem (91) pro výtok pulzujícího proudu vody.
15 15. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek s rotující hlavou, podle nároku 14, vyznačující se tím, že rotační trysková hlava (66) dále zahrnuje dvojici vnějších proudů (92) v průtokovém spojení s hlavním centrálním vodním paprskem pro poskytování točivého momentu pro rotování rotační tryskové hlavy (66).

20
16. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek s rotující hlavou, podle nároku 14, vyznačující se tím, že rotační trysková hlava (66) zahrnuje množinu v odstupu uspořádaných výstupních otvorů (91).
17. Zařízení (10) pro ultrazvukový vodní paprsek s rotující hlavou, podle nároku 14, vyzná25 Ču j ící se tím, že rotační trysková hlava (66) zahrnuje množinu v úhlu orientovaných výstupních otvorů (91) pro generování točivého momentu pro rotování rotační tryskové hlavy (66).
18. Způsob generování pulzujícího proudu vody, vyznačující se tím, že zahrnuje

30 přivedení vysokotlaké vody do ultrazvukové trysky přívodem vysokotlaké vody, generování vysokofrekvenčních elektrických pulzů ultrazvukovým generátorem, řízení frekvence elektrických pulzů řídicí jednotkou, přivedení vysokofrekvenčních elektrických pulzů do měniče, který ultrazvukově pulzuje a je spo35 jený s patou mikrojehly, jejíž dřík ultrazvukově pulzuje a moduluje vysokotlakou vodu a tak generuje pulzující proud vody.
19. Způsob podle nároku 18, vyznačující se tím, že se část proudu vody odkloní a generuje se točivý moment pro rotování rotační tryskové hlavy, rotačně spojené s ultrazvuko40 vou tryskou.
20. Způsob podle nároku 18, vyznačující se tím, že se proud vody rozdělí a vystupuje z hlavy trysky množinou výstupních otvorů.