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Vorrichtung zur Erzeugung eines mit Schleifmittelteilchen
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versetzten Flüssiakeitsstrahles (Dispenser) Technischer Erfindungsbereich
Die Erfindung beinhaltet einen Dispenser fUr einen FlUssigkeitsu strahl, der mit
Schleifmittelteilchen wrsetzt ist, und der zum Schneiden oder Reinigen benutzt wird.
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Technischer Hintergrund Obwohl die Verwendung eines Flüssigkeitsstrahles
,z. B. Wasser zum Abtragen einer Lösung von Schleifmittelteilchen zu Schneid- und
Reinigungszwecken bekannt ist, kann diese Technik aufgrund der Beschränkungen,die
der dazu verwendete Apparat auferlegt, nicht befriedigen.
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Im bekannten Apparat besteht der Dispenser für einen Fl't;ssigkeits
strahl, der mit Schleifmittelteilchen versetzt ist, aus einem Hohikörper, der ein
Rohr bildet, das am einen Ende einen Einlaß und am anderen Ende einen Auslaß zum
Ausstoßen der Schleifmittelhaltigen FlEssigkeit aufweist. Zwischen beiden Enden
ist eine Mischkammer angeordnet. Zum Apparat gehört noch eine Vorratsk mer fUr die
Testkörperteilchen und eine Vorrichtung zum Transport dieser Teilchen von der Vorrats-
zur Mischkammer. Wenn man einen Flüssigkeitsstrohl mit Schleifmittelteilchen zum
Schneiden braucht, zeigte es sich, daß beim Mischen des Schleifmittels mit der unter
Druck stehenden Flüssigkeit der Druck eben dieser Flussigkeit bem trächtlich abfällt
Dann ist es schwierig, einen zusammenhtingenden, parallelwandigen Strahl zu erzeugen.
Da das Schleifmittel nur zu einer Seite des Strahls gezogen wird, ist der Strahl
instabil und der Schnitt ungleichmößig; er fällt auf der Seite mit der hohen Schleifmittelkonzentration
stärker aus. Wenn man im Gegensatz dazu
den Flussigkeitsstrahl mit
Schleifmittel zum Reinigen benötigt, ist der beim Mischen von Schleifmittel und
FlUssigkeit entstehende Druckabfall in der Flüssigkeit zu hoch, auch wenn im Prinzip
ein divergenter Strahl zum Reinigen günstig ist. Zudem zeigt es sich, daß trotz
dieses starken Druckverlustes die Verteilung der Schleifmittelteilchen in der FlEssigkeit
nicht gleichmtißig genug erfolgt. Da im allgemeinen bei fast allen Reinigungsapparaten
die Einlaßvorrichtung für die FlUssigkeit aus einer Vielzahl von Wassereinlaßdüsen
besteht, die rund um eine einzelne, zentrale EinlaßdUse für das Schleifmittel angeordnet
sind, bildet das Schleifmittel eine dünne effektiv reinigende Säule.
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Dieser Effekt nimmt jedoch im Strahl nach außen hin zu geringerer
Schleifmittelkonzentration ab.
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Beschreibung der Erfindung Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist ein Dispenser fUr einen Flüssigkeitsstrahl, der mit Schleifmittelteilchen versetzt
ist.
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Bei diesem Dispenser ist der, beim Mischen von Schleifmittelteilchen
mit Flüssigkeit entstehende Druckabfall reduziert, so daß der Druck,unter dem die
Flüssigkeit steht, effektiver für die vom Strahl geleistete Schneide- und Reinigungsarbeit
genutzt wird.
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Gemäß der Erfindung ist ein Dispenser für einen FlOssigkeitsstrahl,
der mit Schleifmittelteilchen versetzt ist, vorgesehen. Der Dispenser besteht aus
einem Hohlkörper, der ein Rohr bildet (Bohrung); aus einem Anschlag in der Bohrung,
derXgegen ein Ende der Bohrung weist; aus einem Düsenhalter, der gegen den Anschlag
gelagert ist; aus einem FlUssigkeitseinlaß an besagtem Bohrungsende; aus einem Auslaß
am anderen Bohrungsende, zum Ausstoßen der Schleifmittelhaltigen Flüssigkeit; aus
einer Mischkommer, die zwischen DUsenhalter
und Auslaß angeordnet
ist; aus einer Vorratskarmer für das Schleifmittel; aus einer Vielzahl von Kanälen
fUr die Schmiermittelteilchen, die sich jeweils von dor Vorratskammer zur Mischkammer
erstrecken und zwar entlang von Achsen, die sich mit einer zentralen Achse schneiden,
die sich durch die Mischkammer von besagtem Ende der Bohrung zum anderen Ende der
Bohrung erstreckt; und aus mindestens einer EinlaßdUse, die im Düsenhalter angebracht
ist und die einen Flüssigkeitsstrom durch die Mischkammer richten soll. Die eine,
bzw. jede Einlaßdüse ist bezUglich der Mischkammer und den Schleifmittel-Kanalen
derart dimensioniert und angeordnet, daß der radiale Querschnitt des Flüssigkeitsstromes
durch die Mischkammer kleiner ist als der Querschnitt der Mischkammer'selbst und
daß die aus den Kanälen austretenden Schleifmittelteilchen in die Mischkammer an
Stellen gelangen, die rund um besagten Flüssigkeitsstrom angeordnet bind, Somit
bewirkt der FlUssigkeitsstrom durch die Mischkarmer einen Druckabfall in der Mischkammer
nach dem Prinzip der Strahlpumpe und dieser Druckabfall saugt die Schleifmittelteilchen
in die Mischkammer. Der Druckabfall der durch die Mischkammer strömenden Flüssigkeit
geht jedoch einher mit einem Anstieg der kinetischen Energie und nur ein relativ
geringer Teil an Energie wird zum Ansaugen des Schleifmittels in den Strom der FlUssigkeit
durch die Mischkammer aufgewendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden der FlUssigkeitseinlaß
und der DUsenhalter miteinander eineHochdruck-FlUssigkeitsein= speise-Kammer, de
Flüssigkeitsdrücke zwischen 10,000 p.s.i.
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(= 6,896 N/cm2) und 50,000 p.s.i. (=34,480 N/cm2) oder sogar höher
haushalt. Dabei ist der Düsenhalter zwischen FlUssigkeitseinlaß und Anschlag festgeklemmt,
um Leckverluste der Flussigkeitseinspeise-Kammer rund um den DUsenhalter zu verhindern.
Im Betrieb
wird die den Verteiler passierende FlUssigkeit mit einer
Leistung von 150 PS eingespeist. Die Einspeiseleistung kann jedoch bis zu 300 PS
und mehr betragen. In dem Fall mUssen u. U.. die Düsenöffnungen vergrößert oder
verkleinert werden, um sich der Fördermenge der einzelnen Pumpen anzupassen.
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Wenn der Strahl mit Schleifmittelteilchen für Schneiderzwecke Verwendung
findet, sollte er aus dem Dispenser als zusammenhängender parallelwandiger Strahl
austreten. Eine Möglichkeit dazu wäre, der Flüssigkeit langkettige Polymere wie
Polyäthylen-Oxid zuzusetzen, um so die Stabilität des Strahls zu erhöhen, insofern
die Kosten fUr dieses Behelfsmittel gerechtfertigt sind. Es ist auch wUnschenswert,
daß die Schleifmittelteilchen in die äußeren Schichten dieses Strahls gerissen werden.
Das bedeutet, daß hier das Schleifmittel effektiver eingesetzt wird, als dasjenige
aus Dispensern, in denen es gleichmäßiger mit der Strahlflüssigkeit vermischt wird.
Die somit verbesserte Wirtschaftlichkeit in der Verwendung von Schleifmittel wird
erreicht, indem eine oder jede Einlaßdüse so angeordnet ist, daß sie die FlEssigkeit
entlang einer Achse richtet, die parallel zu einer Bezugsachse ist. Letztere ist
selbst zur zentralen Achse durch die Mischkammer parallel. Zur Vabesserung der Wirtschaftlichkeit
trägt auch die Auslaßvorrichtung bei. Sie besteht aus einem sich verjUngenden Durchflußbegrenzer
und einer AuslaßdUse mit gleichbleibendem Querschnitt. In einer bevorzugten Ausführungsform
des Dispensewsist somit bei Verwendung einer einzigen Einlaßdübe, diese so angeordnet,
daß sie die Flüssigkeit entlang der zentralen Achse durch die Mischkammer richtet.
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Eine noch bessere Wirtschaftlichkeit wird erreicht bei Verwendung
von steuerbaren Speisevorrichtungen zum Regeln der Lieferung von Schleifmittel in
die Vorratskammer. Daher ist es möglich, teures,
härteres Schleifmaterial
wie Aluminium-Oxid, Silicon-Karbid und Olivin zu verwenden. Ein typisches Beispiel
dazu: Besteht das Schleifmaterial aus trockenem Mansel-Sand, der in einem Wasserstrom
von 15 Imperial gallons (= 68,19 dm3) pro Minute mitgerissen wird, mit einem Druck
von 10,000 p.s.i.
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(= 6,896 N/cm2), wird die Zufuhrvorrichtung so eingestellt, daß sie
bis zu 12 lbs (=5,4432 kg) Schleifmittel pro Minute liefert.
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Für anderes Schleifmaterial variiert die Menge entsprechend der Dichte
und der spezifischen Korngröße.
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Verwendet man andererseis den Flüssigkeitsstrahl mit Schleifmittel.
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zum Reinigen,sollte der aus dem Dispenser austretende Strahl divergent
sein und das Schleifmittel gleichbleibend homogen mit der Flüssigkeit vermischt
sein. Das wird erreicht durch Verwendung eines DUsenhalters mit mehreren Einlaßdüsen.
Diese EinlaB-dUsen können, insbesondere bei Betrieb mit schwererem Schleifmittel
wie Silicon-Karbid, so angeordnet sein, daß sie die Flüssigkeit entlang sich schneidender
Achsen richten, die gegen radiale Ebenen, welche die zentrale Achse durch die Mischkammer
enthalten, gleichsinnig winklig geneigt sind. Somit wird dem Fluidstrom eine Wirbel-
oder Rotationskomponente erteilt, um eine grundlichere Durchmischung mit Schleifmittel
zu erreichen und um den gewUnachten divergenten Strahl zu erhalten. Damit der DUsenhalter
selbst sich nicht drehen kann, ist noch eine Blockiervorrichtung vorgesehen.
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Bei einer typischen Konstruktion, wo die Auslaßvorrichtung einen Auslaßdurchmesser
von 1,25 inches (= 31,75 mm) aufweist, schneiden sich die Achsen der EinlaßdUsen
in einem Abstand von 2:4inches (= 50,8 : 101,6 mm) vom Düsenhalter. NatUrlich kann
sich die Lage dieses Schnittpunktes in Abhängigkeit vom Output des Apparates
ändern
FUr leistungsstärkere Einheiten wird der Schnittpunkt näher beim DUsenhalter liegen
und der aus dem Auslaß tretende Strahl wird breiter sein. In diesem Fall ware es
vorteilhaft, das Schleifmittel in stärkerem Maß zuzufUhren.
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Zur Verbesserung der Vermischung von Schleifmittelteilchen mit der
Flüssigkeit sind die Kanäle, die sich von der Vorratskammer zur Mischkammer erstrecken,und
die Einlaßdüse gleichwinkelig um die zentrale Achse der Mischkammer verteilt und
die Kanäle fUr die Schleifmittelteilchen sowie die Einlaßdse sind auf winkelig abgesetzten
Radialebenen, die die zentrale Achse der Mischkammer enthalten, zentriert.
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Wenn die Anzahl der Schleifmittelkanäle gleich der Zahl der Einlaß
düsen ist, ist der Winkel zwischen allen Schleifmittelkanälen untereinander und
einer der Einlaßdüsen der gleiche wie zwischen jedem anderen Kanal und einer der
Einlaßdüsen. Der Strom vor jeder EinlaßdUse kann somit wahlweise entlang einer Achse
gerichtet werden, die sich mit der Achse eines der Kanäle schneidet, so daß der
Mischkeffekt des wirbelnden Fluidstromes vergrößert wird.
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Zwei AvsfUhrungen der Erfindung sind nachstehend beispielhaft beschrieben,
mit Hinweis auf die Begleitzeichnungen, wo gleiche Teile gleiche Bezugsnummern haben.
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Kurze Erlauterung der Zeichnungen Fig. 1 ist ein schematischer Aufriß
eines Dispensers zur Erzeugung eines Flussigkeitsstromes, der mit Schleifmittelteilchen
versetzt ist, fUr Strahlschneidezwecke.
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Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht eines Dispensers für einen
Flüssigkeitvstrom, der mit Schleifmittelteilchen versetzt ist, zu Strahlreinigungsarbeiten.
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Schnittes entlang III-III in Fig.
2. Sie zeigt die Seitenansicht eines Düsenhalters, der Teil des in Fig. 2 gezeigten
Apparates ist, und seine Orientierung gegenüber anderen Teilen des Apparates von
Fig. 2.
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Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Schnittes entlang IV-IV in Fig.
3 und zeigt einen Teil der Düsenhalters von Fig. 3.
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Beste AusfUhrungsform der Erfindung Der Schneistrahldispenser 10
(Fig. 1) besteht aus einem Hbhikörper 12, der eine gestufte Bohrung 13 aufweist.
Eine FlUssigkeitseinlaßvorrichtung, bestehend aus einer Sperrmutter 14 und einer
Einlaßeinheit 15 sitzt in einem Ende der Bohrung 13 und eine Auslaßvorrichtung,
bestehend aus einer Sperrmutter 16, einer Aus laßdUse 17 mit gleichförmigem Querschnitt
und einem konvergenten Durchflußbegrenzer 18, sitzt im anderen Ende der gestuften
Bohrung 13. Ein W senhalter 25 ist in der gestuften Bohrung 13 zwischen Einlaßeinheit
15 und einem Anschlag, bestehend aus einer inneren Schulter 24 in der gestuften
Bohrung 13, angebracht. In der Praxis (obwohl nicht dargestellt', aber zur besseren
Klarheit), ist der DUsenholter 25 fest zwischen Einlaßeinheit 15 und innerer Schulter
24 eingeklemmt, um Leckverluste von Hochdruck-Wasser aus der Flüssigkeits-Einspeisekommer
29, die durch Einlaßeinheit 15 und DUsenhalter 25 gebildet wird, zu vermeiden. Zur
weiteren Verringerung von Leckverlusten ist ein 'tO"-Dichtring 34 aus rostfreiem
Stahl oder anderem korrosionsfestem Material zwischen Einlaßeinheit 15 und DUsenhalter
25 eingebaut.
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Eine EinlaßdUse 27 ist so in dem Düsenhalter 25 montiert, daß sie
einen Wasserstrahl hoher Geschwindigkeit entlang der zentralen Achse einer Mischkammer
21 richtet, die zwischen Auslaßvorrichtung und Dusenhalter 25 angeordnet ist. Ein
Ringglied 35 mit einer rundumioufenden"V'förmigen Kerbe 36 umschließt den Hohlkörper
12.
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Eine Manschette 37 ist auf dem außeren Unfang des Ringes 35 mittels
Schrauben 38 befestigt, wodurch eine Vorratskammer 22 fUr die Schleifmittelteilchen
gebildet wird. "O"-Dichtringe 39 sitzen zwischen Ring 35 und Manschette 37 und zwar
beiderseits der nv" förmigen umlaufenden Kerbe 36, um die Vorratskammer 22 abzudichten.
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Schleifmittel wird der Vorratskammer 22 in bemessener Menge mittels
einer regelbaren Zuführvorrichtung 30 geliefert. Diese ist mit der Vorratskammer
22 über einenStutzen 40 verbunden. Die Schleifmittelteilchen werden aus der Vorratskammer
22 in die Mischkammer 21 durch drei gleichwinkelig verlaufende Kanäle 23 (nur eines
ist dargstellt) gezogen. Der mit hoher Geschwindigkeit in die Mischkammer 21 schließende
Wasserstrahl bewirkt einen Drudkabfall in der Mischkammer 21, wodurch das Schleifmittel
aus der Vorratskammer 22 durch oben erwähnte Kanäle 23 in die Mischkammer 21 gesogen
wird.
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Zur Vermeidung von unzulässigem Verschleiß sind Mischkammer 21 und
Kanäle 23 mit verschleißfesten Futterrohren 41 und 42 aus z.
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B. Wolfram-Karbid oder Hartgummi ausgekleidet. Wie gezeigt, weist
jedes Futterrohr 42 am Ende einen Flansch 43 auf und wird mittels eines runden Federclips
44, der am Flansch 43 eingreift, arretiert.
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Zur Verhinderung des Luftzutritts in den Apparat zwischen Hohlkörper
12 und Ring 35 sind zwischen diesen baden Teilen beiderseits der Kanäle 23 zwei
weitere "O"-Dichtringe 45 montiert. Der
Ring 35 wird mittels Schrauben
46 anseinem Platz gehalten.
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Die EinlaßdUse27 besteht aus verschleißfestemMaterial wie Wolfram-Karbid
oder Saphir und weist eine Form auf zur Erzielung eines Durchfluß-Koeffizienten
möglichst großer Einheitlichkeit.
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Diese Einlaßdüse kann so konstruiert und montiert werden, wie in unserer
mit-anhongigen britischen Patentanmeldung Nr. 52 891/75 und 24 751176 beschrieben.
Aufgrund dessen tritt die Flüssigkeit aus der Einlaßdse 27 in Form eines kohärenten,
p@allelwandigen Strahles aus, der durch den konvergenten Durchflußbegrenzer 18 in
die Auslaßdüse 17 gerichtet wird. Der resultierende Druckabfall in der Mischkammer,
im Winkelschnitt-Zwischenraum zwischen Futterrohr 41 und Strahl saugt die Schleifmittelteilchen
durch die Kanäle 23 in die Mischkammer 21. Die Schleifmittelteilchen werden jedoch
sofort in der AußenschichtdesStrahlmit rissen und bleibenwegenmitgerissen und bleibenwegen
der Stabilität des Strahl erbleibenwegender stabilitätdes Strahls ausder Auslaßkonzentriert,
sogar beim Austritt des Strahls aus der Auslaß dUse 17.
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In der modifizierten Form eines Apparates, wie in Fig 2 gezeigt, als
Reinigungsstrahl-Dispenser ist ein Düsenhalter 26 zwischen Einlaßeinheit 15 und
innerer Schulter 24 eingeklemmt. Er ist gegen Verdrehen durch eine Sperre in Form
eines Paßstiftes 31 gesichert. Dazu sitzen in dieser Konstruktion im DUsenhalter
26 drei EinlaßdUsen 28, die (s. Fig. 3) in gleichen Winkeln zueinander um die zentrale
Achse durchdie Mischkammer 21 angeordnet sind. In diesem Fall besteht die Auslaßvorrichtung
zum Ausstoßen der Schleifmittel-haltigen FlEssigkeit aus einer Sperrmutter 19 und
einer AuslaßdUse 20 mit einem größeren Querschnitt als dem der Mischkammer 21.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, liegen die Einlaßdüsen 28 auf Achsen, die
gegenüber der zentralen Achse der Mischkammer 21 geneigt sind, so daß die Flüssigkeit
entlang sich chneidendor Absen gelenkt wird, wodurch au der Auslaßdüse 20 ein divergenter
Strahl austritt.
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Wie in Fig. 3 und Fig. 4 dagestellt, schließen die Radialebenen 32,
die die zentrale Achse der Mischkommer 21 und die Achsen der Schleifmittelkanle
23 enthalten, jeweils gleiche Winkel von 1200 mitanander ein. Ähnlich dazu weisen
die Radialebenen 33, die die zentrale Achse der Mischkammer enthalten und auf denen
die EinlaßdUsen 28 liegen, zueinander gleiche Winkel von 1200 auf.
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Die Ebenen 32 schließen jedoch mit den Ebenen 33 einen Winkel von
60° ein.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, sind die Achsen entlang derer die EinlaßdUsen
28 gerichtet sind, ebenfalls gegen die Ebenen 32, die die zentrale Achse der Mischkammer
21 enthalten und auf denen die Einlaßdüsen 28 zentriert sind, geneigt.
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Die EinlaßdUsen 28 erteilen somit dem Strom der Flüssigkeit durch
die Mischkammer eine Wirbel- oder Rotations-Komponente, wodurch die Vermischung
von FlUssiQkeit und Schleifmittelteilchen verstark wird.
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Diese wahlweise Modifikation bietet fUr manche Verwendungszwecke des
Apparates gewisse Vorteile.