DE2712340A1 - Verfahren zum eindringen in einen werkstoff mittels eines energiereichen stroemungsmittelstrahls und duesenbaugruppe zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents
Verfahren zum eindringen in einen werkstoff mittels eines energiereichen stroemungsmittelstrahls und duesenbaugruppe zur durchfuehrung dieses verfahrensInfo
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Description
HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN
Dr. Norman C. Franz ® ir-56
Se/Bi. 21. März 1977
Verfahren zum Eindringen in einen Werkstoff mittels eines energiereichen Strömungsmittelstrahls und Düsenbaugruppe zur
Durchführung dieses Verfahrens
Ein Hochgeschwindigkeits-Strömungsmittelstrahl (mit einem Strömungsmittel-Ausstoßdruck von mehr als etwa 700 bar) ist
auf diesem Fachgebiet gut bekannt und wurde in bedeutendem Ausmaß kommerziell ausgenutzt. Die US-Patentschriften 3 52*J 367,
3 532 014, 3 705 693, 3 851 899 und 3 750 96I des Erfinders vorliegender Erfindung beschreiben Verfahren und Düsenbaugruppen
zum Erzeugen eines derartigen Strahls.
Allgemein wurde es für wichtig gefunden, einen zwischen 5 und 500 Düsendurchmessern betragenden Abstand zwischen der Ausstoßstelle
der Düse für den Flüssigkeitsstrom und einer Oberfläche des Werkstoffes einzuhalten, damit der Eindringvorgang gut
vonstatten gehen kann. Als Folge hiervon zeigt sich eine beträchtliche Neigung zum Zurückspritzen von der Oberfläche, wenn
der Strahl in das Material eindringt. Außerdem beginnt der Strahl bei im Querschnitt dicken oder unregelmäßig strukturierten
Stoffen nach dem Eindringen rasch von seiner Längsachse abzuwandern. Weiterhin zeigt sich bei harter und unregelmäßiger
Oberfläche des Werkstoffs eine Neigung der letzteren, die Energie des Strahls abzulenken und zu zerstreuen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit und/oder Wirksamkeit des Eindringens des Hochgeschwindigkeits-Strömungsmittelstrahls
in einen Werkstoff zu verbessern. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe für das Verfahren in erster
Linie durch Anspruch 1 oder 11, für die Düsenbaugruppe in erster Linie durch Anspruch 12.
Aufgrund der beanspruchten Ausbildung wird ein Zurückspritzen des Strahls vermieden. Außerdem ergibt sich eine verbesserte
Haltung des Strahl auf seiner Achse auch bei weiterem Eindringen in den Werkstoff. Dieses verbesserte Eindringen des Strahls entlang
seiner Achse ergibt sich selbst dann, wenn die Werkstoff-Oberfläche in einer Ebene geneigt ist, die nicht senkrecht zur
Strahlachse liegt. Die Düsenbaugruppe gemäß der Erfindung ist einfach und billig herstellbar.
In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch die Aufeinanderfolge zweier Stufen des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Düsenbaugruppe, die in innigen Kontakt mit einer unregelmäßigen, harten Werkstoffoberfläche
gedrückt ist, insbesondere zur Veranschaulichung eines dichtend um und unterhalb der Strömungsmittel-Austrittsstelle
der Düse liegenden verformbaren Elements, das in dichtender Berührung mit einer Oberfläche des
Werkstoffes steht,
Fig. 3 die Ansicht einer herkömmlichen Düsenbaugruppe zur Veranschaulichung
des Zurückspritzens des Strömungsmittelstrahls beim Eindringen in einen Werkstoff,
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Fig. J» eine Ansicht eines Düsenhalters, insbesondere zur Veranschaulichung
des Anpressens einer unteren ebenen Oberfläche des Halters gegen eine glatte Oberfläche von
Holz als Werkstoff so, daß eine abgedichtete Kammer entsteht, womit die Tiefe des Eindringens des Strahls verbessert
wird,
Fig. 5 eine Ansicht eines herkömmlichen Düsenhalters in der
Nähe einer Werkstoffoberfläche, jedoch wie üblich mit
einem Abstand zu dieser, insbesondere zur Veranschaulichung des Wanderns des Strahls aus seiner Längsachse.
Die in Figur 1 unter Ziff. 1 angedeutete Verfahrensstufe beinhaltet
die Schaffung einer im wesentlichen abgedichteten Kammer zwischen der Strömungsmittel-Austrittsstelle der Düse
und einer Oberfläche des Werkstoffs. Die in Figur 1 unter Ziff. 2 angedeutete Verfahrensstufe beinhaltet das Ausstoßen eines
energiereichen Strömungsmittelstrahls durch die Düse bei einem Strömungsmitteldruck stromaufwärts der Düse, der sich auf etwa
700 bar oder mehr entwickelt, bis das Eindringen in den Werkstoff im gewünschten Ausmaß erfolgt ist. Vorzugsweise wird die
abgedichtete Kammer teilweise durch ein verformbares Element gebildet, das eine einen Teil der Kammer darstellende rohrförmige
öffnung aufweist, wobei die Kammer zwischen der Düse unterhalb der Strömungsmittel-Austrittsstelle und dem Werkstoff zusammengedrückt
wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Düsenbaugruppe für ein Strömungsmittel
zum Eindringen in einen Werkstoff und besteht aus einer starren Düse mit einer Strömungsmittel-Austrittsstelle für den
Hochgeschwindigkeits-Strömungsmittelstrahl sowie aus einem eine an die Austrittsstelle der Düse anschließende und diese umgebende
rohrförmige öffnung aufweisenden, verformbaren Element zum berührenden
Anlegen an eine Oberfläche des Werkstoffs zur Bildung
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einer abgedichteten Kammer. Vorzugsweise besteht das verformbare Element aus einem Elastomer.
Figur 2 zeigt eine Düsenbaugruppe 10 gemäß vorliegender Erfindung in Berührung mit einer Oberfläche 11 eines Werkstoffs 12,
in welchem ein (vergrößert dargestelltes) Loch 13 durch Eindringen eines Hochgeschwindigkeits-Strömungsmittelstrahls in
den Werkstoff 12 entstanden ist. Ein verformbares Element 14
ist mit der Oberfläche 11 zusammengedrückt, damit eine Dichtung entsteht. In der in Figur 2 gezeigten Düsenbaugruppe 10 wird
das verformbare Element durch einen Halter 5 getragen, der mit einer Ringlippe 15a zum Halten des federnd nachgiebigen Elements
I1I an seiner Stelle versehen ist. Ein Wulst l'4a wird am verformbaren
Element I1I aufgrund des Zusammendrückens der Baugruppe
10 mit der Werkstoff-Oberfläche 11 ausgebaucht. Auf diese Weise wird eine abgedichtete Kammer 20 geschaffen, die den Strömungsmittelstrahl
vor dem Eindringen in den Werkstoff 12 einschließt.
Eine Düse 16 aus Saphir ist in einer (nicht gezeigten) Metallfassung
gehalten, die gegen eine Schulter 17 des Halters 15 anliegt. Eine Strömungsmittel-Zuleitung 18 führt in den Halter
und steht in Berührung mit einem elastischen Ring 19, der auf diese Weise zusammengedrückt und gegen die Seiten der Metallfassung
für die Düse 16 gedrückt wird, womit die Düse 16 gegen Lecken abgedichtet wird.
Das verformbare Element I1J hat eine genügende Festigkeit, um
die Kammer 20 abzudichten, wenn sie dem Strömungsmitteldruck des Strahls während des Eindringens in den Werkstoff 12 ausgesetzt
ist. Eine Ringdichtung oder ein zylindrisches Rohr aus verformbarem Material arbeitet zufriedenstellend. Wie nachfolgend
in den Beispielen erläutert, arbeitet ein Rohr aus verformbarem Material zufriedenstellend, dessen Außenwände nicht eigens unterstützt
sind.
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Figur 3 zeigt eine Düsenbaugruppe 21 herkömmlicher Art, die der der Figur 2 ähnlich ist mit der Ausnahme, daß ein verformbares
Element I1J fehlt. Die Düsenbaugruppe 21 wird im einzelnen
unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben. Wenn der Strahl zum Durchstoßen einer Oberfläche von hartem Werkstoff benutzt wird,
wie er bei Bergwerksarbeiten vorkommt, spritzt der Strahl von der Oberfläche zurück. Auch wird bei gewissen Stoffen eine
größere Zeit zum Eindringen benötigt.
Figur 4 zeigt die Düsenbaugruppe 21 der Figur 3 im einzelnen.
Ein Werkstoff 22, insbesondere Holz, hat eine verformbare Oberfläche 23, die weich genug ist, um mit dem glatten Ende 21J des
aus Metall bestehenden Halters 25 eine Dichtung gegen Flüssigkeit zu bilden. Eine Zuleitung 26, eine ringförmige Düsendichtung
27 und eine Düse 29 sind in der in Figur 3 gezeigten Befestigung vorgesehen. Auf diese Weise wird zum Eindringen in die Oberfläche
23 des Werkstoffs 22 eine abgedichtete Kammer 30 geschaffen, indem das Ende 24 des Halters 25 mit der verformbaren
Oberfläche 23 des Werkstoffs 22 zusammengedrückt wird. Ein geradliniges Eindringen des Strahls 32 wird erzielt. Gemäß
Figur 5 soll Holz unter einem Winkel zu den Jahresringen 31 mittels einer in herkömmlicher Weise im Abstand gehaltenen Düsenbaugruppe
21 durchstoßen werden. Das Ergebnis ist aber, daß der Strahl 32 aus seiner Eindringachse abwandert, wenn man das Verfahren
gemäß dem Stand der Technik anwendet.
Die Abdichtung der Kammer 20 oder 30, die durch das Zusammendrücken
hergestellt wird, braucht nicht vollkommen sein und kann in geringem Ausmaß ein Lecken des Strömungsmittels zulassen.
Dagegen wird der verstärkte Durchdringungseffekt verloren, wenn sich ein beträchtlicher Verlust an Strömungsmittel einstellt.
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Bei der Düsenbaugruppe gemäß vorliegender Erfindung wird vorzugsweise
ein Abstand von 5 bis 200 Düsendurchmessern zwischen der Werkstoffoberfläche und der Strömungsmittel-Austrittsstelle
der Düse eingehalten. Die Düse ist gewöhnlich kreisrund im Querschnitt und hat einen Durchmesser etwa zwischen 0,05 und
2,5 mm.
Wenn zur Bildung der Kammer zwischen dem Düsenhalter und der Oberfläche des Werkstoffs ein rohrförmiges, verformbares Element
vorgesehen wird, hat die öffnung im verformbaren Element eine Länge, die zusammen mit dem unterhalb der Austrittsstelle der
Düse gelegenen Abschnitt des Halters dem einzuhaltenden Abstand entspricht. Vorzugsweise beträgt die Höhe des rohrförmigen,
verformbaren Elements zwischen 10 und 50 mm. Das rohrförmige, verformbare Element hat eine öffnung mit einem Durchmesser von
wenigstens dem Durchmesser der Düsenöffnung bis zu 25 mm.
Das verformbare Element ist vorzugsweise aus einem nachgiebig federndem Elastomer, z.B. Gummi, hergestellt, damit leichter
eine Dichtung mit rauhen, harten Oberflächen bewirkt werden kann. Jedoch, kann auch ein Tetrafluoräthylen-Polymer mit einem
niedrigen Reibbeiwert benutzt werden, wenn eine Gleitberührung mit der Werkstoffoberfläche nach dem Durchstoßen stattfinden
soll. Der Klemmdruck auf das verformbare Element beträgt gewöhnlich wenigstens 1,1I bar für ein federnd nachgiebiges Elastomer.
Ein höherer Klemmdruck wäre für eine verformbare Metalldichtung notwendig.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen insbesondere das Verfahren
nach der Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik.
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Das bei diesem Beispiel verwendete Gerät war ähnlich dem der Figuren 2 und 3 mit der Ausnahme, daß ein Gummistopfen zwischen
den Düsenhalter und die Werkstoffoberfläche gepreßt wurde. Zunächst
wurde das Verfahren aus dem Stande der Technik gemäß Figur 3 versucht.
Der zu durchstoßende Werkstoff war Quarzit von ungefähr 15»9 nun
Dicke mit einem Abstand von 19 nun zwischen dem Düsenhalter und der Werkstoffoberfläche. Bei Benutzung von gewöhnlich gefiltertem
Leitungswasser, einer Saphirdüse von 0,25*1 nun Durchmesser
und eines Aufbaudrucks von 0 bis 2800 bar als Höchstwert betrug die Zeit zur Erreichung des vollen Drucks ungefähr 8 Sekunden.
Der Strahl wurde auf den Quarzit eine Minute lang gerichtet. Nach dieser Zeitspanne stieß der Strahl entweder noch nicht oder
gerade eben durch den Werkstoff durch.
Bei Benutzung des Geräts ähnlich der Figur 2 mit einem gewöhnlichen
schwarzen Laborgummistopfen von 25,4 mm Höhe und 25,4 nun
Durchmesser,.der zwischen dem Werkstoff und dem Düsenhalter zusammengedrückt
wurde, betrug die durchschnittliche Zeit, die erforderlich war, um den Gummi und den Quarzit zu durchstoßen,
nur 12 Sekunden, was eine sehr große Verbesserung (etwa fünffach) der Durchstoßgeschwindigkeit bedeutet. Dabei hatte der Strahl
zunächst den Gummistopfen bei diesem Beispiel zu durchdringen, obwohl dies nicht notwendig ist. Der auf den Stopfen ausgeübte
Haltedruck betrug etwa 0,7 bar. Nur ein geringes Lecken aus der Kammer trat auf.
Das Beispiel 1 wurde an einem Stück Blei von 12,7 mm Dicke wiederholt, wobei das Gerät gemäß Figur 3 benutzt wurde. Nach
einer Minute war der Strahl noch nicht durch das Blei gedrungen,
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obwohl in manchen Fällen an der Unterseite eine kleine Blase bemerkbar war. Als, wie im Beispiel 1, der Gummistopfen eingesetzt
wurde, war die Dicke von 12,7 nun innerhalb von 15 Sekunden durchstoßen. Bei diesem Beispiel hätte der· Strahl ohne die
abgedichtete Kammer nicht einmal das Werkstück durchdrungen, da es weich genug war, den Strahl ohne durchstoßen zu werden,
abzulenken.
Die Wiederholung des Beispiels gemäß Figur 1 an einem 6,3 mm dicken Hartaluminiumblech schien in Bezug auf die Geschwindigkeit
keinen besonderen Vorteil bei Verwendung des Gummistopfens zu bringen. Jedoch war das erzeugte Loch größer und gleichmäßiger
im Querschnitt. Auch trat kein Zurückspritzen auf.
Bei Benutzung eines Blocks vom Holz der Douglastanne von 87,5 nun
Dicke bei einem Abstand von annähernd 6,3 mm zwischen dem Düsenhalter
und der Werkstoffoberfläche wurde der Strahl auf das Holz unter Benutzung des Verfahrens nach dem Stand der Technik
gemäß Figur 5 gerichtet. Die Orientierung der Jahresringe im Block lag unter einem Winkel, wie er in Figur 5 angedeutet ist.
Der Strahl durchstieß den Block auf eine Strecke von etwa 19 mm und wurde dann entlang dem weicheren Teil der Jahresringe abgelenkt.
Der Austritt erfolgte an der Seite des Blocks bei einem Abstand von etwa 38 mm ein paar Sekunden nachdem der volle
Druck von 2800 bar erreicht war.
Bei der Wiederholung des Verfahrens unter Anpressung der Düse mit einem Druck von etwa 1,4 bar in innigem Kontakt mit der
Werkstoffoberfläche, wie dies in Figur 4 gezeigt ist,wodurch ein
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Luftspalt vermieden und eine abgedichtete Kammer 30 geschaffen wurde, wurde der Block sauber und ordentlich über seine ganze
Dicke in weniger als 9 Sekunden durchstoßen. Es wurde beobachtet, daß der volle Druck für den Strahl dabei noch nicht einmal erreicht
war. Dies deutet an, daß ein geringerer Strömungsmitteldruck zur vollständigen Durchdringung genügt, wenn das Verfahren
gemäß der Erfindung angewandt wird.
Wie aus den vorhergehenden Beispielen ersichtlich, erfolgt das Eindringen des Hochgeschwindigkeitsstrahls auf einem viel
geraderen Wege und viel schneller, wenn die abgedichtete Kammer verwendet wird. Das Gerät ist besonders wichtig beim Abbau von
Mineralien, wobei das verformbare Element eine Dichtung mit einem unregelmäßigen Werkstoff herstellt. Auch ist er von Bedeutung
für das Durchstoßen und Imprägnieren von Stoffen wie Holz.
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Claims (12)
1. Verfahren zum Eindringen in einen Werkstoff mittels eines von einer Düse ausgestoßenen energiereichen Strahls eines
Strömungsmittels, dadurch gekennzeichnet ,
a) daß die Düse (l6, 29) gegen den Werkstoff (12, 22) über
eine Kammer (20, 30) gerichtet wird, die zwischen einer das Strömungsmittel ausstoßenden Stelle der Düse und
einer Oberfläche (11, 23) des Werkstoffs eingeschaltet ist,
b) daß die Kammer (20, 30) in innige Berührung mit der Werkstoffoberfläche (11, 23) gedrückt wird, so daß die
Kammer unter einer zusammendrückenden Kraft und im wesentlichen" dichtend an dieser Oberfläche anliegt,
c) und daß ein energiereicher Strahl (32) eines Strömungsmittels durch die Düse (l6, 29) zum Durchlaufen der
Kammer (20, 30) mit einem Druck ausgestoßen wird, der sich stromaufwärts der Düse bis etwa 700 bar oder mehr
entwickelt, bis das Eindringen in die Werkstoffoberfläche
(11, 23) im gewünschten Ausmaß erfolgt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Richtens über eine Kammer in der Weise erfolgt, daß ein mit einer rohrförmigen öffnung
(20) versehenes, verformbares Element (Ik) zwischen der Düse
(16) und der Oberfläche (11) des Werkstoffs (12) angeordnet wird. 709840/0831
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ORIGINAL INSPECTED
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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Richtens über eine Kammer in der Weise erfolgt, daß ein ebenflächiger Halter (25) für
die Düse (29) vorgesehen wird, und daß der Schritt des Drückens in der Weise erfolgt, daß die ebene Fläche (2^) dieses Halters
mit der Oberfläche (23) des Werkstoffs (22) zusammengedrückt wird.
H. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Richtens über eine Kammer in der Weise erfolgt, daß ein Halter (15) mit einer rohrförmigen
Öffnung zum Halten der Düse (l6) und ein ebenfalls mit einer rohrförmigen Öffnung versehenes, verformbares Element (14)
vorgesehen werden und das verformbare Element, unter Ausrichtung seiner rohrförmigen Öffnung mit der rohrförmigen
Öffnung des Halters zur Bildung der genannten Kammer (20) durch beide rohrförmigen Öffnungen, zwischen den Werkstoff (12)
und den Halter (15) eingeschaltet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der das Strömungsmittel ausstoßenden Stelle der Düse (16, 29) und der Oberfläche (11, 23) des
Werkstoffs (12, 22) ein Abstand von 2 bis 500 Düsendurchmessern
eingehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Ausstoßens des Strahls in der Weise erfolgt, daß man den Strahl (32) aus einer kreisförmigen
Öffnung der Düse (l6, 29) mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,05 und 2,5 mm austreten läßt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Richtens über eine Kammer in
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der Weise erfolgt, daß die Düse (16, 29) über die zwischengeschaltete
Kammer (20, 30) gegen einen harten Werkstoff gerichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Richtens über eine Kammer in der Weise erfolgt, daß die Düse (16, 29) über die zwischengeschaltete
Kammer (20, 30) gegen einen glatten Werkstoff gerichtet wird, und ferner, daß zwischen der Düse (16, 29)
und dem Werkstoff eine Relativbewegung herbeigeführt wird, die dem gewünschten Bereich für das Eindringen in die Oberfläche
folgt, während die zwischengeschaltete Kammer unter
Krafteinwirkung in inniger· Berührung mit der· Werkstoffoberfläche
gehalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Richtens über eine Kammer außerdem darin besteht, daß ein verformbares Element (lh) niedrigen
Reibbeiwerts zwischen der Düse (16) und der Werkstoffoberfläche (11) angeordnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Richtens über eine Kammer außerdem darin besteht, daß ein verformbares Element (I1I) aus
polymerem Tetrafluoräthylen zwischen der Düse (16) und dem
Werkstoff (12) angeordnet wird.
11. Verfahren unter Benutzung eines energiereichen Strahls eines von einer Düse ausgestoßenen Strömungsmittels zum Eindringen
in einen Werkstoff, der dem Eindringen des Strömungsmittelstrahls unter beträchtlichem Zurückspritzen des Strömungsmittels
einen Widerstand entgegensetzt, mit den Verfahrensschritten
a) des Richtens der Düse gegen einen Werkstoff und b) des
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Ausstoßens eines energiereichen Strahls eines Strömungsmittels von der Düse mit einem Druck, der sich stromaufwärts der Düse
bis etwa 700 bar oder mehr entwickelt, dadurch gekennzeichnet ,
c) daß eine Kammer (20, 30) zwischen einer das Strömungsmittel ausstoßenden Stelle der Düse (16, 29) und einer
Oberfläche (11, 23) des Werkstoffs (12, 22) eingeschaltet wird,
d) daß die Kammer (20, 30) in innige Berührung mit der Werkstoffoberfläche
(11, 23) gedrückt wird, so daß die Kammer unter einer zusammendrückenden Kraft und im wesentlichen
dichtend an dieser Oberfläche anliegt,
e) und daß der energiereiche Strahl (32) des Strömungsmittels von der Düse (16, 29) zum Durchlaufen der Kammer (20, 30)
ausgestoßen wird.
12. Düsenbaugruppe für ein Strömungsmittel zum Eindringen in einen Werkstoff, mit einer starren Düse, die das Strömungsmittel
englang einer geradlinigen Achse führt und eine Strömungsmittel-Austrittsstelle für den aus der Düse entlang
dieser Achse mit hoher Geschwindigkeit austretenden Strömungsmittelstrahl aufweist, zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein eine an die Austrittsstelle der Düse anschließende
und diese umgebende rohrförmige öffnung aufweisendes,
verformbares Element (I1I) zum berührenden Anlegen an
eine Oberfläche (11) eines Werkstoffs (12) zur Bildung einer abgedichteten Kammer (20), worin die Düse (16) eine Strahl-Austrittsöffnung
mit einem Durchmesser etwa zwischen 0,05 und 2,5 mm hat und die rohrförmige öffnung im wesentlichen
gerade Seiten und einen Durchmesser nicht wesentlich größer als 25 mm hat.
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13· Düsenbaugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das verformbare Element (1*0 aus
einem Elastomer besteht.
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