EP1410846B1 - Düse zur Erzeugung eines Hochdruckstrahls - Google Patents

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EP1410846B1
EP1410846B1 EP03021417A EP03021417A EP1410846B1 EP 1410846 B1 EP1410846 B1 EP 1410846B1 EP 03021417 A EP03021417 A EP 03021417A EP 03021417 A EP03021417 A EP 03021417A EP 1410846 B1 EP1410846 B1 EP 1410846B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
bore
nozzle body
disk
inlet
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EP03021417A
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Michael Dipl.-Ing. Jarchau
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Paul Hammelmann Maschinenfabrik GmbH
Hammelmann Maschinenfabrik GmbH
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Paul Hammelmann Maschinenfabrik GmbH
Hammelmann Maschinenfabrik GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B15/00—Details of spraying plant or spraying apparatus not otherwise provided for; Accessories
    • B05B15/14—Arrangements for preventing or controlling structural damage to spraying apparatus or its outlets, e.g. for breaking at desired places; Arrangements for handling or replacing damaged parts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S239/00—Fluid sprinkling, spraying, and diffusing
    • Y10S239/19—Nozzle materials

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle for generating a high-pressure jet according to the preamble of claim 1.
  • Such a nozzle is part of a nozzle head, which is used for example in the high pressure water jet as a water jet nozzle.
  • a water jet nozzle serves, for example, for the cleaning of surfaces, the removal of coatings, the roughening of surfaces and the cutting and separating of materials.
  • the pressure generated by a pump in a volume flow of the medium is converted by a cross-sectional constriction within the nozzle into a jet, preferably a liquid jet, at high speed.
  • a jet preferably a liquid jet
  • water is usually used as the liquid.
  • the generated pressures can be up to 4000 bar and above, while the speed is up to 900 m / s.
  • the nozzle disc is provided in practice with a sealing ring which is made of a non-ferrous metal alloy or a plastic and which seals the nozzle disc relative to the lateral wall portion of the recess of the nozzle body.
  • the sealing ring is unable to laterally support the nozzle disk as would be required to accommodate stresses on the nozzle disks caused by the high internal pressure in the nozzle bore.
  • This non-existent radial support of the nozzle disk often leads to cracks and breaks during operation, resulting in dangerous situations, especially when such nozzles in hand-held tools, such as spray guns or the like, are used. Due to the sudden release of pressure when the nozzle disk breaks, the recoil force increases unexpectedly and unacceptably high, which can endanger the user of the spray gun.
  • an axial biasing force is applied via a pressure screw, which bears against both the nozzle disk and the nozzle body.
  • the force is passed through the nozzle disk and the sealing ring on the nozzle body.
  • the said lack of radial support of the nozzle disk also leads to high stress due to dirt particles in the jet fluid, which can also lead to cracks with the described effects on impact with the associated end face of the nozzle disk.
  • the present invention is therefore based on the object to develop a nozzle of the generic type so that it is easier to produce, increases their life and reliability is improved.
  • Such a type formed nozzle has significant advantages over the known nozzle.
  • the nozzle body with the inserted nozzle disk are manufactured as a structural unit and can be mounted in this way, that no immediate pressure forces during assembly, for example by means of a pressure screw or an acting in this sense inlet body, acting on the nozzle disk.
  • the nozzle disk is arranged in the interior of the nozzle body, that is to say that the nozzle disk is enclosed on all sides by the nozzle body.
  • the nozzle body is produced by sintering or casting, wherein the nozzle disk is previously introduced, so that it is completely enclosed by the material of the nozzle body after casting or sintering.
  • the nozzle body material, in which the nozzle disk is initially embedded without nozzle bore, is preferably corrosion-resistant and high-strength.
  • the outer and sealing surfaces of the sealing body are produced, and introduced an outlet and possibly an inlet bore and the nozzle bore. This results in a high concentricity achieved, which leads to an optimization of the emerging from the nozzle medium jet.
  • the reliability of the user increases over the known nozzle.
  • the nozzle body is formed mirror-symmetrically with the embedded nozzle disk both in the longitudinal and in the transverse axis direction. This opens up the possibility to turn the nozzle body, if the input area of the nozzle bore should be worn due to operational reasons. In this case, the nozzle body is rotated with the enclosed nozzle disk only by 180 ° degrees, so that then the previous output side of the nozzle bore now forms the input side.
  • the nozzle disk may consist of a ceramic hard material, preferably a sapphire, ruby, polycrystalline diamond or a mixed ceramic.
  • the robust design of the nozzle also allows the introduction of flat jet geometries of the nozzle bore, which can then have a different cross-section from the circular shape, for example elliptical or rectangular.
  • the invention results in an extended field of application.
  • the nozzle bore can be reworked, in particular in the region of the leading edge, in addition to the mentioned turning possibility of the nozzle body, so that overall there is an appreciable improvement also in terms of business administration.
  • a nozzle for generating a high-pressure jet of a flowable medium for example a liquid, a liquid-solid-gas mixture or a gas
  • a flowable medium for example a liquid, a liquid-solid-gas mixture or a gas
  • a nozzle body 1 shown in its basic structure a nozzle body 1, an inset in a recess 7, made of a high-strength Material existing nozzle disk 2 with an axial, preferably centric nozzle bore 3 and an inlet body 8, with which the nozzle body 1 in a nozzle housing, not shown, is firmly clamped to a nozzle head.
  • the inlet body 8 which on its side facing the nozzle body 1 has an axially arranged feed channel 6 through which the medium can be fed under pressure in the direction of the arrow, forms a sealing surface 11 on the nozzle body 1 at the end.
  • the nozzle disk 2 which preferably has a rotationally symmetrical shape, press against the contact surfaces of the recess 7 under compressive stress.
  • the nozzle plate 2 can of course take other forms of space, as needed.
  • the nozzle disk 2 is completely enclosed by the nozzle body 1, that is, the nozzle disk 2 is completely encapsulated in this respect.
  • the sealing surface 11 is limited to the central region through a free cut 12, which covers the facing end face of the nozzle plate 2 so far that the sealing surface 11 rests outside of the nozzle plate 2 on the nozzle body 1.
  • the nozzle bore 3 opens into an outlet bore 5 of the nozzle body.
  • the embedding of the nozzle disk 2 in the nozzle body 1 is carried out by molding with the material then forming the nozzle body 1, by sintering this material of the nozzle disk 2 with the nozzle body. 1

Landscapes

  • Nozzles (AREA)
  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse zur Erzeugung eines Hochdruckstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Eine derartige Düse ist Bestandteil eines Düsenkopfes, der beispielsweise in der Hochdruckwasserstrahltechnik als Wasserstrahldüse Verwendung findet. Eine solche Wasserstrahldüse dient beispielsweise der Reinigung von Oberflächen, dem Abtragen von Beschichtungen, dem Aufrauen von Flächen sowie dem Schneiden und Trennen von Werkstoffen.
  • Zur Erzeugung des Hochdruckstrahles wird der von einer Pumpe in einem Volumenstrom des Mediums erzeugte Druck durch eine Querschnittsverengung innerhalb der Düse in einen Strahl, vorzugsweise einen Flüssigkeitsstrahl, mit hoher Geschwindigkeit umgewandelt. Dabei findet als Flüssigkeit üblicherweise Wasser Verwendung. Die erzeugten Drücke können bis zu 4000 bar und darüber betragen, während die Geschwindigkeit bei bis zu 900 m/s liegt.
  • Aus der US 5,893,520 ist eine Düse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Aufgrund der sich daraus ergebenden außerordentlich hohen Beanspruchung der Düsenscheibe ist es aus der DE 94 19 809 U1 bekannt, diese aus einem Saphir herzustellen.
  • Für eine halbwegs akzeptable Standzeit ist es jedoch erforderlich, die Düsenscheibe sowie die Ausnehmung, in der diese einliegt, hinsichtlich der Parallelität der Kontaktflächen, der Konzentrizität und Winkligkeit sowie der Maßgenauigkeit in sehr engen Toleranzgrenzen zu bearbeiten. Abgesehen davon, dass dies nur mit einem erheblichen Fertigungsaufwand möglich ist, führen selbst die geringen Toleranzen beim Betrieb der Düse zu einer äußerst hohen Beanspruchung der Düsenscheibe, die die Standzeit sehr stark beeinflusst.
  • Wenngleich in der DE 94 19 809 U1 nicht ausdrücklich erwähnt, wird die Düsenscheibe in der Praxis mit einem Dichtring versehen, der aus einer Buntmetall-Legierung oder einem Kunststoff gefertigt ist und der die Düsenscheibe gegenüber dem seitlichen Wandbereich der Ausnehmung des Düsenkörpers abdichtet.
  • Allerdings ist der Dichtring nicht in der Lage, die Düsenscheibe seitlich abzustützen, wie es erforderlich wäre, um auf die Düsenscheiben einwirkende Spannungen aufzunehmen, die durch den hohen Innendruck in der Düsenbohrung entstehen. Diese nicht vorhandene radiale Unterstützung der Düsenscheibe führt häufig zu Rissen und Brüchen während des Betriebes, woraus sich gefährliche Situationen ergeben, insbesondere wenn solche Düsen in handgeführten Werkzeugen, wie beispielsweise Spritzpistolen oder dergleichen, eingesetzt werden. Durch die schlagartige Entspannung des Drucks beim Bruch der Düsenscheibe steigt die Rückstoßkraft unerwartet und unzulässig hoch an, was zu einer Gefährdung des Benutzers der Spritzpistole führen kann.
  • Bei der bekannten Düse wird eine axiale Vorspannkraft über eine Druckschraube aufgebracht, die sowohl an der Düsenscheibe wie auch dem Düsenkörper anliegt. Dabei wird die Kraft über die Düsenscheibe und den Dichtring auf den Düsenkörper geleitet.
  • Dies setzt jedoch voraus, dass mit einem hohen Fertigungsaufwand entsprechende Höhentoleranzen der Bauteile eingehalten werden. Trotzdem kann es bei Überschreitung des Anzugsmomentes an der Druckschraube zum Bruch der spröden Düsenscheibe kommen. Dies ist relativ häufig der Fall, da viele Düsen unter rauen Betriebsbedingungen, zum Beispiel auf Baustellen zur Betonsanierung eingesetzt und montiert werden.
  • Die genannte fehlende radiale Unterstützung der Düsenscheibe führt auch zu einer hohen Beanspruchung durch in der Strahlflüssigkeit befindliche Schmutzpartikel, die beim Aufprall auf die zugeordnete Stirnfläche der Düsenscheibe ebenfalls zu Rissen mit den geschilderten Auswirkungen führen können.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Düse der gattungsgemäßen Art so weiter zu entwickeln, dass sie einfacher herstellbar ist, ihre Standzeit erhöht und die Betriebssicherheit verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Düse gelöst, die die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
  • Eine solcher Art ausgebildete Düse weist gegenüber der bekannten Düse erhebliche Vorteile auf.
  • So ist zunächst einmal zu nennen, dass die Düsenscheibe nun quasi fest eingespannt in der Ausnehmung des Düsenkörpers einliegt und zwar in allen beim Betrieb der Düse möglichen Belastungsrichtungen.
  • Insbesondere werden wirksame Radialkräfte, die aus dem Betriebsinnendruck in der Düsenbohrung resultieren, unmittelbar auf den Düsenkörper geleitet. Dadurch wird die Düsenscheibe extrem widerstandsfähig, so dass eine plötzliche Rissbildung oder ein Bruch praktisch ausgeschlossen sind. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Schmutzpartikeln ist erheblich reduziert.
  • Nach der Erfindung sind der Düsenkörper mit der einliegenden Düsenscheibe als eine Baueinheit hergestellt und so montierbar, dass keine unmittelbaren Druckkräfte bei der Montage, beispielsweise mittels einer Druckschraube oder eines in diesem Sinne fungierenden Einlaufkörpers, auf die Düsenscheibe einwirken.
  • Dabei ist die Düsenscheibe im Inneren des Düsenkörpers angeordnet, das heißt, dass die Düsenscheibe allseitig von dem Düsenkörper umschlossen ist.
  • Aufgebrachte Spannkräfte zur Festsetzung des Düsenkörpers werden dadurch ausschließlich in den Düsenkörper geleitet.
  • Dies ist gleichermaßen der Fall, wenn die Düsenscheibe in der dann stirnseitig in den Düsenkörper eingebrachten Ausnehmung einliegt, wobei der Einlaufkörper als Druckstück den Düsenkörper gegen einen Gehäuseboden verspannt und der vom Einlaufkörper ausgehende Spanndruck außerhalb der Düsenscheibe in den Düsenkörper geleitet wird.
  • Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass der Düsenkörper durch Sintern oder Gießen hergestellt wird, wobei die Düsenscheibe zuvor eingebracht wird, so dass sie von dem Werkstoff des Düsenkörpers nach dem Gießen oder Sintern vollständig umschlossen ist.
  • Hierdurch kann auf eine besondere Bearbeitungsgenauigkeit der Düsenscheibe verzichtet werden, was naturgemäß mit einer Kostenersparnis verbunden ist.
  • Der Düsenkörper-Werkstoff, in den die Düsenscheibe zunächst ohne Düsenbohrung eingebettet ist, ist vorzugsweise korrosionsbeständig und hochfest.
  • Durch den Sinterprozess bzw. das Gießen werden auf die Kontaktflächen der Düsenscheibe hohe, bleibende Druckspannungen aufgebracht, die für den Betrieb der Düse die genannten Vorteile mit sich bringen.
  • Nach Beendigung des Sinterns bzw. des Gießens werden die Außen- bzw. Dichtflächen des Dichtkörpers hergestellt, sowie eine Austritts- und ggf. eine Eintrittsbohrung und die Düsenbohrung eingebracht. Hierdurch wird eine hohe Konzentrizität erreicht, die zu einer Optimierung des aus der Düse austretenden Mediumstrahles führt.
  • Da ein betriebsbedingter Bruch der Düsenscheibe praktisch ausgeschlossen ist, erhöht sich die Betriebssicherheit für den Benutzer gegenüber der bekannten Düse. Darüber hinaus ergibt sich auch eine Erhöhung der Standzeit, die dadurch noch zusätzlich gesteigert wird, dass der Düsenkörper mit der eingelagerten Düsenscheibe sowohl in Längs- wie auch in Querachsrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Düsenkörper zu wenden, wenn der Eingangsbereich der Düsenbohrung betriebsbedingt abgenutzt sein sollte. In diesem Fall wird der Düsenkörper mit der eingeschlossenen Düsenscheibe lediglich um 180° Grad gedreht, so dass dann die vorherige Ausgangsseite der Düsenbohrung nun die Eingangsseite bildet.
  • Die Düsenscheibe kann aus einem keramischen Hartstoff bestehen, vorzugsweise einem Saphir, Rubin, polykristallinem Diamant oder einer Mischkeramik.
  • In jedem Fall erlaubt die robuste Bauweise der Düse auch die Einbringung von Flachstrahlgeometrien der Düsenbohrung, die dann einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen kann, beispielsweise elliptisch oder rechteckig. Insofern ergibt sich durch die Erfindung ein erweiterter Einsatzbereich.
  • Zur Erhöhung der Standzeit kann neben der genannten Wendemöglichkeit des Düsenkörpers, die Düsenbohrung nachgearbeitet werden, insbesondere im Bereich der Eintrittskante, so dass sich insgesamt eine auch in betriebswirtschaftlicher Hinsicht nennenswerte Verbesserung ergibt.
  • Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Figuren 1 und 2
    jeweils eine Düse in einem Längsschnitt.
  • In den Figuren 1 und 2 ist jeweils eine Düse zur Erzeugung eines Hochdruckstrahls aus einem strömungsfähigen Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit, einem Flüssigkeit-Feststoff-Gas-Gemisch oder einem Gas, dargestellt, die in ihrem Grundaufbau einen Düsenkörper 1, eine darin in einer Ausnehmung 7 einliegende, aus einem hochfesten Werkstoff bestehende Düsenscheibe 2 mit einer axialen, vorzugsweise zentrischen Düsenbohrung 3 sowie einen Einlaufkörper 8 aufweist, mit dem der Düsenkörper 1 in einem nicht dargestellten Düsengehäuse zu einem Düsenkopf fest verspannbar ist.
  • Dabei liegt der Einlaufkörper 8, der auf seiner dem Düsenkörper 1 zugewandten Seite einen axial angeordneten Zuführkanal 6 aufweist, durch den das Medium unter Druck in Pfeilrichtung einspeisbar ist, stimseitig eine Dichtfläche 11 bildend, an dem Düsenkörper 1 an.
  • Erfindungsgemäß liegen bei beiden gezeigten Ausführungsbeispielen die Düsenscheibe 2, die vorzugsweise eine rotationssymmetrische Form aufweisen, unter Druckspannung an den Kontaktflächen der Ausnehmung 7 an. Neben einer zylindrischen kann die Düsenscheibe 2 selbstverständlich auch andere Raumformen einnehmen, je nach Bedarfsfall.
  • Bei dem in der Figur 1 gezeigten Beispiel wird die Düsenscheibe 2 vollständig von dem Düsenkörper 1 umschlossen, das heißt, die Düsenscheibe 2 ist insoweit vollständig eingekapselt.
  • Demgegenüber ist sie bei der in der Figur 2 gezeigten aber nicht beanspruchten Ausführung lediglich seitlich und auf der dem Einlaufkörper 8 gegenüberliegenden Stirnseite unter Druckspannung an der Ausnehmung anliegend. Hierbei ist die Dichtfläche 11 zum Mittenbereich hin begrenzt durch einen Freischnitt 12, der die zugewandte Stirnseite der Düsenscheibe 2 soweit überdeckt, dass die Dichtfläche 11 außerhalb der Düsenscheibe 2 am Düsenkörper 1 anliegt.
  • In beiden Fällen mündet die Düsenbohrung 3 in eine Austrittsbohrung 5 des Düsenkörpers 1.
  • Während das durch den Zuführkanal 6 strömende Medium bei der in der Figur 1 gezeigten Düse unmittelbar in eine Eintrittsbohrung 6 des Düsenkörpers 1, an die sich die Düsenbohrung 3 anschließt, geführt wird, wird das Medium bei der Düse nach Figur 2 der Düsenbohrung 3 über den Freischnitt 12 zugeführt, der sich konzentrisch an den Zuführkanal 6 anschließt.
  • Wie bereits geschildert, erfolgt die Einbettung der Düsenscheibe 2 in den Düsenkörper 1 durch Umgießen mit dem dann den Düsenkörper 1 bildenden Werkstoff, durch Sinterung dieses Werkstoffes der Düsenscheibe 2 mit dem Düsenkörper 1.
  • Eine weitere Bearbeitung dieser Baueinheit zur Einbringung der Düsenbohrung 3, der Eintrittsbohrung 4, der Austrittsbohrung 5 sowie zur Herstellung einer Außenfläche 9 und einer Dichtfläche 10 des Düsenkörpers 1, die dem Einlaufkörper 8 gegenüberliegend die Stirnfläche bildet, erfolgt anschließend, ohne daß besonders enge Toleranzen beachtet werden müssen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Düsenkörper
    2
    Düsenscheibe
    3
    Düsenbohrung
    4
    Eintrittsbohrung
    5
    Austrittsbohrung
    6
    Zuführkanal
    7
    Ausnehmung
    8
    Einlaufkörper
    9
    Außenfläche
    10
    Dichtfläche
    11
    Dichtfläche
    12
    Freischnitt

Claims (7)

  1. Düse zur Erzeugung eines Hochdruckstrahls aus einem strömungsfähigen Medium, mit einem Düsenkörper (1) und einer darin in einer Ausnehmung (7) einliegenden, aus einem hochfesten Werkstoff bestehenden Düsenscheibe (2), die eine axiale, vorzugsweise zentrische Düsenbohrung (3) aufweist, die in eine Ein- und/oder Austrittsbohrung (4, 5) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) durch Sinterung oder Gießen um die Düsenscheibe (2) geformt ist, die dabei unter Druckspannung an den Kontaktflächen der Ausnehmung (7) anliegt und mit Ausnahme des Ein- und Austrittsbereiches der Düsenbohrung (3) vollständig im Düsenkörper (1) eingekapselt ist.
  2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrung (3) sowie die Eintritts- und Austrittsbohrung (4, 5) nach der Ummantelung durch Gießen oder Sintern eingebracht sind.
  3. Düse nach Anspruch 1, bei dem der Düsenkörper (1) mittels eines Einlaufkörpers (8) gegen ein Düsengehäuse verspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen, eine Dichtfläche (11) bildenden Druckflächen des Düsenkörpers (1) und des Einlaufkörpers (8) außerhalb der Düsenscheibe (2) liegen.
  4. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) und die eingelagerte Düsenscheibe (2) sowohl in Längs- wie auch in Querrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet sind.
  5. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) aus einem korrosions- und säurebeständigen Material besteht.
  6. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenscheibe (2) aus einem polykristallinen Diamant besteht.
  7. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrung (3) einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist, vorzugsweise eine elliptischen oder rechteckigen.
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EP (1) EP1410846B1 (de)
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