DE60224120T2

DE60224120T2 - Wasserstrahlapparat und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE60224120T2
Application number: DE60224120T
Authority: DE
Inventors: Andrew Noestheden
Original assignee: Valiant Corp
Current assignee: Valiant Corp
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: US6789748B2; MXPA02001601A; EP1232803A3; DE60209083T2; EP1676648A1; EP1232803B1; CA2370449A1; EP1232803A2; DE60209083D1; EP1676648B1; DE60224120D1; US20020109020A1; CA2370449C; ES2299108T3; ES2258597T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Hochgeschwindigkeits-/Hochdruck-Wasserstrahlvorrichtung.
Im Stand der Technik sind viele Wasserstrahlvorrichtungen bekannt, die für eine Vielzahl verschiedener Zwecke verwendet werden. Diese Wasserstrahlvorrichtungen erzeugen einen Wasserdruck in Form eines Hochgeschwindigkeits- und Hochdruckstrahls, der in vielen Anwendungen eingesetzt wird, wie zum Beispiel Reinigungsanwendungen sowie Schneidanwendungen.
Um den Hochdruck-Wasserstrahl zu bilden, ist in diesen im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen herkömmlicherweise eine Hochdruckpumpe verwendet worden, die wiederum einen leistungsstarken Motor benötigt, um die Pumpe anzutreiben. Solche Hochdruckpumpen erfordern oft Motoren mit einer Leistung von 200 kW (150 PS) oder noch mehr.
Da diese im Stand der Technik bekannten Wasserstrahlvorrichtungen gewaltige Hochdruckpumpen sowie leistungsstarke Motoren zum Antreiben der Pumpen erforderten, sind diese Wasserstrahlvorrichtungen nicht nur in der Herstellung und der Anschaffung teuer, sondern auch im Unterhalt.
Angesichts der Nachteile von Hochgeschwindigkeits-/Hochdruck-Wasserstrahlvorrichtungen werden häufig Niederdruck-Wasserstrahlvorrichtungen in Anwendungen wie zum Beispiel dem Reinigen technischer Teile, wie beispielsweise Motorblöcken, Kurbelwellen und derglei chen, zum Beispiel während der Herstellung verwendet. Allerdings sind diese im Stand der Technik bekannten Niedriggeschwindigkeits-/Niederdruck-Wasserstrahlvorrichtungen nicht in der Lage, Metallspäne (Schneidabfälle) vollständig von einigen technischen Teilen, wie zum Beispiel Motorblöcken, zu entfernen.
US4135669 (DI) zum Beispiel offenbart eine transportable, mit Rädern versehene elektrische Sprühvorrichtung mit einem Vorratsbehälter für Druck beaufschlagte Flüssigkeit. Druck beaufschlagte Flüssigkeit wird durch einen flexiblen Schlauch von dem Druckbehälter (Flüssigkeitsvorratsbehälter) zu einem Sprühstab geleitet, der mit dem entgegengesetzten Ende des flexiblen Schlauchs verbunden ist. Ein Ventil ist an dem stromaufwärtigen Ende des Stabes angeordnet, um Flüssigkeit aus dem Tank als einen Sprühstrahl durch die Düse an dem entgegengesetzten Ende des Tanks abzugeben.
US4,222,521 (D2) offenbart ebenfalls eine transportable Sprühvorrichtung mit einem Vorratsbehälter für Druck beaufschlagte Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsvorratsbehälter wird mit Luft von einer externen Quelle druckbeaufschlagt, die über ein Ventil in den Tank gelangt, das sich auf dem Tank befindet und außerdem eine Druckentlastungsanordnung enthält. Die Flüssigkeit wird durch einen Schlauch abgelassen, der an einem Ende mit dem Tank und am anderen Ende mit einer Sprühpistole verbunden ist. Ein Heizelement ist in dem Tank angeordnet, um zu gewährleisten, dass die Vorrichtung der Sprühpistole einen Druck beaufschlagten und erwärmten Flüssigkeitsstrom zuführen kann, um Teilchentrümmer zu entfernen, die Gefahrenstoffe wie zum Beispiel Asbestfasern enthalten können.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Wasserstrahlvorrichtung bereit, welche die oben angesprochenen Nachteile der im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen beseitigt und der besonders zum Waschen von – oder zum Beseitigen von Metallspänen von – technischen Teilen, wie zum Beispiel Motorblöcken, geeignet ist.
Die Wasserstrahlvorrichtung eines Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst einen Tank, der einen Vorratsbehälter bildet, der mit einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, gefüllt ist. Ein länglicher Kanal ist an einem Ende strömungsmäßig mit dem Vorratsbehälter verbunden, und eine Düse ist mit dem anderen Ende des Kanals verbunden und liegt mit diesem Ende auf ein und derselben Achse. Diese Düse hat des Weiteren einen Öffnungsquerschnitt, der kleiner als der Öffnungsquerschnitt des Kanals ist, und vorzugsweise kleiner als ein Hundertstel der Querschnittsfläche des Kanals ist.
Ein Ventil ist in einer Reihe zwischen dem Vorratsbehälter und dem Kanal angeschlossen, und dieses Ventil kann zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position bewegt werden. Der Vorratsbehälter wird des Weiteren mit Luftdruck im Bereich von 2–20 bar (30–300 psi) druckbeaufschlagt. Wenn also das Ventil in seine offene Position bewegt wird, so pumpt der Luftdruck von dem Vorratsbehälter Wasser aus dem Vorratsbehälter den Kanal entlang und in Richtung der Düse. Wenn dieser Wasserfluss die Düse erreicht, so verwandelt die verkleinerte Öffnungsfläche der Düse den Wasserfluss durch den Kanal in einen Hochgeschwindigkeitswasserstrahl. Dieser Wasserstrahl wiederum kann für viele Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel das Reinigen von technischen Teilen.
Um Verwirbelungen des Wasserflusses durch den Kanal hindurch beim Öffnen des Ventils zu verhindern oder wenigstens zu minimieren, ist vorzugsweise neben oder an der Düse ein Entlüftungskreis mit dem Kanal verbunden. Dieser Entlüftungskreis lässt Luft während des Wasserflusses durch den Kanal hindurch und in Richtung der Düse aus dem Kanal ab und minimiert Verwirbelungen des Wasserflusses durch den Kanal hindurch, die ansonsten durch Luft verursacht werden könnten, die in dem Kanal eingeschlossen ist. Des Weiteren enthält der Entlüftungskreis in einer Ausführungsform der Erfindung eine Vakuumpumpe, um aktiv Luft aus dem Kanal herauszupumpen.
Es wird nun eine Ausführungsform der Erfindung ausführlicher beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 ist eine geschnittene Seitenansicht, die eine Anordnung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Ansicht ähnlich 1, die aber die Funktionsweise der Erfindung nach dem anfänglichen Öffnen des Ventils veranschaulicht.
3 ist eine Ansicht ähnlich 2, die des Weiteren die Funktionsweise der veranschaulichten Anordnung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm, das die Funktionsweise der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Wenden wir uns zunächst 1 zu, wo in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Wasserstrahlvorrichtung 10 gezeigt ist, die einen Tank 12 umfasst, der einen Vorratsbehälter 14 bildet. Der Vorratsbehälter 14 ist so weit mit einer Flüssigkeit, in der Regel Wasser, befüllt, dass im oberen Abschnitt des Tanks 12 eine Lufttasche 16 gebildet wird (wie im oberen Teil der Zeichnung in 1 geigt).
Ein Ende 20 (ein stromaufwärtiges Ende) eines länglichen Kanals 18 ist mit dem Vorratsbehälter 14 an einem Auslass des Tanks 12 verbunden. Ein Ventil 22 ist strömungsmäßig in einer Reihe zwischen dem Ende 20 des Kanals 18 und dem Vorratsbehälter 14 verbunden. Vorzugsweise ist dieses Ventil 22 ein Absperrschieber und wird durch ein Stellglied 24 zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigt. In seiner geschlossenen Position (1) verhindert der Absperrschieber 22, dass Fluid aus dem Vorratsbehälter 14 durch den Kanal fließt, während umgekehrt das Ventil 22 in seiner offenen Position (2) es dem Fluid gestattet, ungehindert aus dem Vorratsbehälter 14 und durch den Kanal 18 hindurch zu fließen.
Wie des Weiteren in 1 zu sehen, ist eine Düse 26 an dem anderen Ende 28 (stromabwärtigen Ende) des Kanals 18 befestigt. Diese Düse 26 hat eine Öffnung 30 an ihrem stromabwärtigen Ende mit einer kleineren Querschnittsfläche als die Querschnittsfläche des Kanals 18 in der Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung. Vorzugsweise liegt die Fläche der Düsenöffnung 30 im Bereich von einem Hundertstel der Querschnittsfläche des Kanals 18.
Der Kanal 18 erstreckt sich in einer im Wesentlichen geraden Linie von dem Ventil 22 und zu der Düse 26, um Verwirbelungen des Wasserflusses durch den Kanal 18 hindurch zu minimieren. Außerdem ist ein Entlüftungskreis 34 strömungsmäßig mit dem Inneren des Kanals 18 entweder an oder neben der Düse 26 verbunden. Dieser Entlüftungskreis 34 lässt Luft aus dem Kanal 18 während des Wasserflusses durch den Kanal 18 hindurch ab. Der Entlüftungskreis 34 kann des Weiteren eine Vakuumpumpe enthalten, die aktiv Luft aus dem Inneren des Kanals 18 herauspumpt.
Wie des Weiteren in 1 gezeigt, setzt ein Luft-Druckbeaufschlagungsmittel 36, wie zum Beispiel eine Luftpumpe, die Lufttasche 16 in dem Tank 12 unter einen bestimmten Druck. Vorzugsweise liegt dieser Druck im Bereich von 2–20 bar (30–300 psi). Außerdem ist die Querschnittsfläche des Tanks 12 vorzugsweise um ein Mehrfaches größer als die Querschnittsfläche des Kanals 18, so dass der Wirkdruck am Ende 20 des Kanals 18 um ein Mehrfaches größer ist als der Druck der Lufttasche 16.
Wenden wir uns nun den 1 und 2 zu. Wenn die Wasserstrahlvorrichtung aktiviert werden soll, so wird das Ventil 22 aus seiner geschlossenen Position (1) in seine offene Position (2) bewegt. Dadurch fließt das Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die sich in dem Vorratsbehälter 14 befindet, abwärts durch das Ventil 22 und in den Kanal 18. Der Wasserfluss durch den Kanal 18 hindurch wird durch den Kanal 18 hindurch schneller und bildet somit eine Wasserwand im Inneren des Kanals 18, wie in 2 gezeigt. Während das Wasser durch den Kanal 18 fließt, entfernt der Entlüftungskreis 34 gleichzeitig Luft aus dem Inneren des Kanals, so dass die Luft in dem Kanal weder den Wasserfluss durch den Kanal 18 hindurch abfängt noch Verwirbelungen des Wasserflusses durch den Kanal hindurch verursacht.
Wenden wir uns nun 3 zu. Wenn das Wasser durch den Kanal 18 fließt und auf die Düse 26 trifft, so verringert die Düse 26 den Wasserfluss von der Querschnittsfläche des Kanals 18 auf die verkleinerte Fläche der Düsenaustrittsöffnung 30. Dies wiederum erzeugt einen Hochgeschwindigkeits-/Hochdruck-Wasserstrahl 40 an der Düsenöffnung 30.
Wenden wir uns nun 4 zu, wo ein Diagramm veranschaulicht ist, das den Druck des Wasserstrahls 40 als eine Funktion der Zeit veranschaulicht. Wie in 4 gezeigt, wird, wenn der Wasserfluss durch den Kanal 18 hindurch anfänglich auf die Düse 26 trifft, ein extrem hoher Druck, zum Beispiel 667 bar (10.000 psi), an dem Wasserstrahl 40 aufgebaut, wenn er die Düse verlässt, wie am Punkt 42 in 4 angedeutet. Danach nimmt der Druck des Wasserstrahls 40 ab, bis der Zyklus vollendet ist.
Eine praktische Anwendung für die Wasserstrahlvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung ist die Reinigung von technischen Teilen, wie zum Beispiel Motorblöcken, von Metallspänen und anderen Materialtrümmern, die als Rückstände maschineller Bearbeitungen während der Herstellung usw. zurückbleiben. Nehmen wir zum Beispiel an, dass der Kanal 18 einen Innendurchmesser von 100 mm (vier Inch) hat und die Düsenöffnung 30 einen Durchmesser von 8 mm (fünf-sechzehntel Inch) hat. Eine Druckbeaufschlagung von etwa 10 bar (150 psi) in der Lufttasche 16 des Tanks 12 bewirkt, dass der Wasserfluss durch den Kanal 18 hindurch eine Geschwindigkeit von etwa 88 km/h (55 Meilen/Stunde) in einem ungefähr 1,8 m (sechs Foot) langen geraden Abschnitt des Kanals 18 erreicht. Dieser Wasserfluss erzeugt einen Druck von ungefähr 667 bar (10.000 psi) in dem Wasserstrahl 40. Wenn also die Wasserstrahlvorrichtung 10 zum Reinigen von technischen Teilen verwendet wird, so reicht der hohe Anfangsdruck des Wasserstrahls aus, um alle Späne zu lösen, die in den Durchgängen von technischen Teilen, wie zum Beispiel Motorblöcken, eingeschlossen sind, und anschließend alle Materialtrümmer oder Metallspäne von dem technischen Teil fortzuspülen.
Aus dem oben Dargelegten ist zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung eine einfache und dennoch wirkungsvolle Wasserstrahlvorrichtung bereitstellt. Nach dieser Beschreibung der Erfindung fallen dem einschlägig bewanderten Fachmann jedoch viele Modifikationen daran ein, die nicht vom Geist der Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abweicht.

Claims

Verfahren zum Forträumen von Teilchentrümmern aus einem Durchgang in einem technischen Bauteil, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer druckbeaufschlagten Quelle einer Flüssigkeit (14), Anschließen eines Endes (20) eines länglichen Fluidkanals (18) an ein Ventil (22), das mit der druckbeaufschlagten Flüssigkeitsquelle in Strömungsverbindung steht, wobei der Kanal eine Düse (26) mit einer verringerten Querschnittsfläche aufweist, die mit seinem anderen Ende in Strömungsverbindung steht und direkt auf sein anderes Ende ausgerichtet ist, und selektives Öffnen des Ventils, um einen schneller werdenden Flüssigkeitsstrom aus dem Ventil durch den Kanal hindurch und zu der Düse zu erzeugen, wobei der schneller werdende Flüssigkeitsstrom eine sich bewegende Flüssigkeitswand in dem Kanal bildet, die beim Auftreffen auf die Düse einen aus der Düse austretenden, unter hohem Druck stehenden Flüssigkeitssprühstrahl bildet, der ausreicht, um Teilchentrümmer in dem Durchgang fortzuräumen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens den Schritt des Erzeugens eines Drucks im Bereich von 2 bar (30 psi) bis 20 bar (300 psi) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Querschnittsfläche der Düse (26) kleiner als ein Hundertstel der Querschnittsfläche des Kanals (18) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren den Schritt umfasst, Luft aus dem Kanal (18) an einer Stelle neben der Düse (26) zur selben Zeit abzulassen, wenn der Flüssigkeitsstrom sich von dem Ventil (22) zu der Düse hin bewegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Kanal im Wesentlichen in einer geraden Linie zwischen dem Ventil und der Düse erstreckt, um Verwirbelungen des Flüssigkeitsstromes durch den Kanal hindurch zu minimieren.
Vorrichtung zum Forträumen von Teilchentrümmern aus einem Durchgang in einem technischen Bauteil, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: Mittel zum Erzeugen einer druckbeaufschlagten Quelle einer Flüssigkeit (14), ein Ventil (22), das mit der druckbeaufschlagten Flüssigkeitsquelle in Strömungsverbindung steht, einen länglichen Fluidkanal (18), der an einem Ende (20) mit dem Ventil in Strömungsverbindung steht, eine Düse (26), die eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als eine Querschnittsfläche des Kanals ist, und die mit einem zweiten Ende (28) des Kanals in Strömungsverbindung steht, Mittel zum Erzeugen eines schneller werdenden Flüssigkeitsstroms aus dem Ventil durch den Kanal hindurch und zu der Düse, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse direkt auf das zweite Ende des Kanals ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die einen Luftablassfluidkreislauf (34) umfasst, der mit dem Kanal (18) stromabwärts von dem Ventil (22) in Strömungsverbindung steht, zum Verringern der Dämpfung des Flüssigkeitsstromes durch verdichtete Luft in dem Kanal.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei das Druckerzeugungsmittel (36) einen Druck im Bereich von 2 bar (30 psi) bis 20 bar (300 psi) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei eine Querschnittsfläche der Düse (26) kleiner als ein Hundertstel der Querschnittsfläche des Kanals (18) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei sich der Kanal im Wesentlichen in einer geraden Linie zwischen dem Ventil und der Düse erstreckt, um Verwirbelungen des Flüssigkeitsstromes durch den Kanal hindurch zu minimieren.