EP3446787B1 - Method and device for generating a sequence of beam sections of a discontinuous, modified liquid jet - Google Patents

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EP3446787B1
EP3446787B1 EP18189240.7A EP18189240A EP3446787B1 EP 3446787 B1 EP3446787 B1 EP 3446787B1 EP 18189240 A EP18189240 A EP 18189240A EP 3446787 B1 EP3446787 B1 EP 3446787B1
Authority
EP
European Patent Office
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jet
nozzle
liquid
velocity
section
Prior art date
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Active
Application number
EP18189240.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP3446787A1 (en
Inventor
Humberto Chaves Salamanca
André Boye
Thomas Weyrauch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Technische Universitaet Bergakademie Freiberg filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3446787A1 publication Critical patent/EP3446787A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3446787B1 publication Critical patent/EP3446787B1/en
Active legal-status Critical Current
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02Nozzles, 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
    • B05B1/08Nozzles, 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 of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities ; Fluidic oscillators
    • B05B1/083Nozzles, 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 of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities ; Fluidic oscillators the pulsating mechanism comprising movable parts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08CLEANING
    • B08BCLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/02Cleaning by the force of jets or sprays
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24CABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/02Blast guns, e.g. for generating high velocity abrasive fluid jets for cutting materials
    • B24C5/04Nozzles therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26FPERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/004Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/18Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating a sequence of jet sections of a discontinuous, modified liquid jet, a single jet section of the liquid jet being modified such that it has a shorter length in the direction of movement before hitting a target surface than after it emerged the nozzle.
  • the invention further relates to uses of the liquid jet.
  • a beam modified in this way has increased mechanical effectiveness, which can be used, for example, for separating or removing. This improves the erosion effect of the liquid jet.
  • the prior art often provides for the generation of a pulsating fluid jet from a pressurized fluid.
  • the setting device can be used to set a Helmholtz number which is determined from the quotient of the path length for the fluid pressure waves between the outlet opening of the chamber and the nozzle mouth of the nozzle in the line system and the wavelength of the fluid pressure waves in the line system.
  • the fluid jet formed is used to remove material, the erosion effect of a treated surface is to be improved. This includes cleaning, cutting and drilling.
  • the proposed solution is based on the idea that by coupling vibration energy in the form of pressure waves into a fluid jet, in particular into a fluid jet with a pressure of 20 bar, 30 bar or more, fluid pulses can be generated in which the vibrational energy is converted into kinetic energy.
  • the kinetic energy that can be transmitted to the fluid by generating pressure waves can be maximized by ensuring that the reflections of pressure waves in a line system for supplying pressurized fluid to a nozzle do not cancel out the generated pressure waves, but amplify them due to interference.
  • the ratio of the effective path length which the pressure waves travel in the line system from the outlet opening of the chamber to the nozzle mouth of a nozzle, and the wavelength of the fluid pressure waves, i. H. a Helmholtz number characterizing the fluid pressure waves in the line system can be set.
  • paragraph [0060] states that the pressure pump is designed such that it generates a fluid pressure in the range between 40 bar and 150 bar, preferably a fluid pressure in the order of 100 bar, in the chamber can be adjusted.
  • the fluid pressure in the chamber By adjusting the fluid pressure in the chamber, the frequency v and the amplitude of the pressure waves, the size and the mutual distance of liquid droplets in fluid jets emerging from the nozzle can be varied.
  • the publication EP 2 145 689 A1 deals with a method and a device for the preparation of surfaces with a water jet, which is pulsed under high frequency, pulsating.
  • a high-frequency signal generator is used to transmit the high frequency to an oscillator with a microtip.
  • the vibrating microtip creates a vibrating water jet that emerges from a nozzle opening.
  • the pulsating water jet with the contained mini water balls has an improved erosion ability, e.g. B. for cutting or cleaning.
  • the document describes another method for liquid jet shaping and a device suitable therefor DE 600 28 949 T2 .
  • the device for producing a high-pressure fluid jet for treating a selected surface comprises a nozzle and a feed line with a first line opening that is in fluid communication with the nozzle opening, the feed line further comprising a second line opening that is spaced apart from the first line opening for aligning the Fluid jet is used.
  • the nozzle and / or the feed line has at least one opening upstream of the second line opening, the opening being equipped such that it can be connected to the source of the second fluid.
  • the opening is a first opening, the nozzle and / or the feed line further comprising a second opening spaced apart from the first opening.
  • the first and second openings are positioned at different locations along the axis extending between the first conduit opening and the second.
  • a length of the conduit between the first and second openings is at least about ten times greater than the average diameter of the second conduit.
  • the controlled introduction of a second fluid comprises the periodic interruption of a flow of the second fluid in the direction of the fluid jet in order to pulsate the fluid jet. Furthermore, selecting at least the length of the line and / or the pressure of the second fluid and / or the flow rate of the second fluid includes such that the high pressure fluid jet is resonated when the high pressure fluid jet passes through the line.
  • a hydraulic chamber with an outlet nozzle is known.
  • a hydraulic chamber containing a nozzle capable of providing a very high instantaneous pulsed dynamic jet in a device that generates a shock wave in a relatively incompressible liquid is obtained when the effective location of the shock wave is such that the pressure wave generated thereby is applied quickly and evenly in one direction along the center line of the nozzle for the purpose of building.
  • a suitable configuration for such a chamber is a parabolic cissoid in which the location of the shock wave is effectively at the focal point of the parabolic part of such a chamber, thereby converting the resulting spherical waves into additive plane waves towards the center line of the nozzle.
  • the shock wave used in the device can be produced by mechanical or electrical energy or a combination thereof.
  • the publication DE 334 35 55 C1 describes a method and a device for accelerating amounts of liquid. Individual specific amounts of liquid are accelerated to high speeds subject to the energy stored by compressing the liquid.
  • the liquid is pressed into a pressure vessel which is already filled with liquid in order to carry out the compression. Due to the energy stored in the compressed liquid, a certain amount of liquid is expelled from the pressure vessel into a collecting nozzle when a valve is opened quickly.
  • the valve is opened when an opening force generated by the compressed liquid exceeds a closing bias.
  • the valve takes off working cycles automatically to generate a sequence of pulsating liquid jets.
  • the rapid opening of the valve is assisted by an extension on the valve element that slides sealingly within the passage of the collection nozzle to block the release of the liquid until the valve element accelerates sufficiently to achieve the required opening speed when the extension reaches the Releases nozzle passage.
  • Paragraph [0005] specifies that pulsating jet devices preferably use a "collection" nozzle, such as that in the patent US 33 43 794 Device described, in which an amount of liquid containing energy is supplied to the inlet of a dry nozzle. The foremost portion of the amount of liquid is greatly accelerated as it flows along the narrowing channel of the collection nozzle, which concentrates most of the energy of the amount of liquid as kinetic energy in a small portion of the amount of liquid. The resulting brief liquid jet that emerges from the nozzle has a peak back pressure that is several times greater than the static pressure that occurs somewhere within the nozzle.
  • the liquid jet also includes discrete volumes or lumps of liquid (cf. US 4,863,101 , which belongs to the same patent family as DE 334 35 55 C1 ).
  • pressurized water at approximately 1379 bar can be supplied to a chamber which has an inner diameter of approximately 20 cm. This pressure could lead to a compression of about 5% and would eject water volumes with a volume of about 213 cm 3 each with a pulse energy of about 13 560 J into the nozzle.
  • the document also describes a method and a device for generating pulsed liquid jets DE 215 20 03 A .
  • the proposed solution generates the water jets pulsed at high frequency by the discharge of electrical energy and is based on the knowledge that, when electrical energy is discharged from, for example, a capacitor in a closed container filled with a liquid, electrodes form a tubular space between the electrodes arises.
  • the temperature here is very high in front. Discharges of this kind have three effects. On the one hand, a high-pressure sound wave front runs from the discharge tube to the outside. Secondly, a very hot and expanding gas bubble is created in the area of the hose, which contains superheated steam and a considerable amount of ionized and neutral molecules.
  • a high-intensity continuum of light is created simultaneously with the discharge.
  • the pressure surge takes place by heating at least part of a liquid volume closed with the exception of an outlet nozzle by means of an electrical discharge within the liquid with a discharge duration and intensity such that a shock wave is generated in the liquid.
  • the proposed high-pressure water jet device for generating pulsating water jets has a gas-loaded pressure accumulator which is connected to a feed line and is connected to a main vibration generator via a pipeline.
  • a second vibration generator is connected to the main vibration generator via a pipeline with a built-in check valve, in the housing of which a valve piston connects the inlet nozzle to an outlet nozzle or separates it from the latter.
  • a second gas-loaded pressure accumulator is connected to the inlet port of the second vibration generator, in which, in cooperation with the check valve, the peak pressures of the pressure waves arriving from the main vibration generator are stored and so a step-by-step charging takes place until the trigger pressure on the valve piston is reached and the stored energy accumulates discharged with a powerful jet of water.
  • the check valve arranged in the pipeline connecting the main vibrator to the second vibrator allows the second pressure accumulator to be gradually charged by allowing only the peak pressures of the pressure waves generated by the main vibrator in the natural vibration state to pass.
  • the energy of these high pressure pulses is stored in the second pressure accumulator and discharged in a single powerful water jet pulse when the trigger pressure adjustable at the source is reached.
  • the resulting movement can be regarded as a forward movement of the jet section at the average speed u, while the part of the liquid in question tends to flow to the center of this part due to the change in speed. So as the portion of the beam moves forward, it also tends to decrease or increase in diameter. That is, it tends to "cluster".
  • the process can also be viewed in such a way that the part of the faster fluid overtakes and combines with the slower within the cycle. The process is necessarily accompanied by a separation of each slow-fast (thereby bundled) beam part from the previous and subsequent ones.
  • the cyclical change in ejection speed has the effect of converting the continuous jet from a uniform stream to a sequence of liquid plugs.
  • the disclosure of a liquid ejection system with drop velocity modulation can be found in the document EP 2 714 406 A1 .
  • the continuous liquid ejection system includes a liquid chamber in fluid communication with a nozzle, the liquid chamber containing liquid under pressure sufficient to eject a jet of liquid through the nozzle.
  • a drop forming device is connected to the liquid jet, the drop forming device being operable to generate a modulation in the liquid jet. This causes parts of the liquid jet into one Break a series of pairs of drops moving along a path, each pair of drops consisting of a first and a second drop.
  • a charging device comprises a charge electrode associated with the liquid jet and a source with a varying electrical potential between the charge electrode and the liquid jet.
  • the source of the varying electrical potential provides a waveform that includes a period that is equal to the drop pair period.
  • the waveform includes a first and a second different voltage state, the charging device being synchronized with the drop formation device in order to generate a first charge state on the first drop and to generate a second charge state on the second drop.
  • the drop speed modulation device changes the relative speed of the first and second drops to control the connection of the drops to a combined drop with a third charge state.
  • a deflection device is provided which causes the first drop with the first charge state to move along a first path, the second drop with the second charge state to move along a second path, and the combined drop with the third charge state move along a third path emotional.
  • the speed of the drops formed, the speed of one or both drops in a drop pair can be modulated. This is achieved by changing the properties of the energy transferred to the liquid jet.
  • the publication EP 2 485 847 A2 teaches a method and apparatus for making cylinder bore surfaces with a pulsed water jet.
  • a cylinder bore surface is prepared using a pulsed water jet.
  • the following method steps are provided: generating a signal with a frequency using a signal generator; Applying the signal to generate a pulsed water jet through an outlet opening of a nozzle with an outlet opening and with a cylindrical section of the outlet opening; Allow the pulsed water jet to hit the surface of the cylinder bore to prepare the surface within a predetermined range of surface roughness.
  • the predetermined range of Surface roughness is selected based on operating parameters that include distance, nozzle crosshead speed, water pressure, water flow rate, orifice length to diameter ratio, frequency and amplitude of the signal.
  • the pulsed water jet can be generated by generating high-frequency pulsating liquid jets.
  • These high-frequency liquid jets can be generated with internal mechanical flow modulators, Helmholtz oscillators, self-resonating nozzles and / or ultrasound nozzles.
  • the pulsed water jet can be generated using acoustic waves, for example an acoustic wave, which acts on the liquid by means of an acoustic transducer.
  • the desired effect is based on the fact that the water jet impact on a material target is increased by ultrasound modulation. Namely, if a drop or a drop of liquid hits the same surface, the initial impact pressure will be much higher.
  • a pump set to 69 MPa would achieve a blow water pressure on the target area of 566 MPa. Since the behavior of the material depends on the impact pressure and the time, which in turn are determined by the frequency and the nozzle diameter, a significant improvement in material erosion or surface preparation is achieved by using forced pulsed water jets.
  • a hyperpressure pulse excavator is known from the pamphlets EP 2 877 697 A1 or. WO 2014/018977 A1 .
  • a hyperpressure water cannon system is provided to generate a fluid pulse.
  • This includes a pressure vessel coupled to a source of pressurized fluid, the pressure vessel including a drain valve.
  • a nozzle has a straight section and a converging tapered section, the nozzle being connected to the pressure vessel after a drain valve. The velocity of the pressurized fluid discharged from the pressure vessel through the drain valve increases as it flows through the nozzle.
  • the speed of the water exiting the cannon valve changes continuously, but a pulse of about 0.5 m in length is generated at a speed of over 500 m / s.
  • the kinetic energy of the pulse increases linearly up to about 0.5 m and then increases further at a lower rate.
  • the speed is slow when the valve opens, peaks after opening the valve, and then drops when the pressure also drops (decompressed).
  • a straight nozzle section accumulates the water at the leading edge of the pulse and allows the fluid to catch up at the higher speed, thereby forming a plug of liquid at a uniform speed.
  • a compressed water cannon tool can produce compressed water pulses that are 300 mm long and move at a speed of about 520 m / s.
  • the leading edge accelerates to over 2000 m / s while the trailing edge brakes.
  • a fundamental disadvantage of the prior art is that spray cleaning cannot reduce the cleaning time by significantly increasing the cleaning mechanics.
  • temperature and chemistry are the other important factors influencing cleaning.
  • the increase in temperature and the use of chemicals is not a socially acceptable alternative to minimizing environmental and cost considerations Target value is cleaning time.
  • the maximum adjustable operating pressure of the cleaning system which serves as a possible manipulated variable for increasing the mechanics, is generally limited in terms of system or process technology.
  • the economically interesting and most frequently used range for spray cleaning is between 2 and 6 bar. The reasons for this are that the costs for the pumps as well as the work and noise protection measures are in a favorable ratio to the cleaning result and the currently widespread cleaning chemicals are designed for this pressure range.
  • Increasing the volume flow promoted by the cleaning system is also impractical from the point of view of resource efficiency and because of the wastewater treatment that is subsequently required. As a result, new approaches are required with which the mechanical cleaning component can be further increased while conserving resources.
  • the object is achieved by a method for producing a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single jet section of the discontinuous, modified liquid jet before striking one Target surface has a shorter length in the direction of movement than after exiting from a nozzle.
  • the modification is brought about by different speeds within the individual jet section of the discontinuous, modified liquid jet in such a way that, as a result of a constant increase in the jet speed as it emerges from the nozzle, a jet area which is in the rear in the direction of movement catches up with a front jet area of the jet section by the individual jet section also increasing speed emerges from the nozzle, the later it exits the nozzle, and wherein a breakup of the liquid previously combined to form the jet section is prevented by not exceeding a critical ratio of inertial force to surface force.
  • the invention therefore has set itself the goal of collecting a pulse over the entire jet length, which corresponds to the distance between the nozzle and the target surface, in order then to convert it into a strong force in a very short stroke.
  • This physical principle is used in other ways, e.g. B. already used in impact drills in mechanics.
  • the implementation of the modulation of the nozzle surface is technically feasible, but significantly more complex than the more practical modulation of the pressure.
  • B. can be achieved via a camshaft that moves the compression piston of a pump against a spring.
  • the shape of the camshaft is then decisive for the pressure curve.
  • Other forms of print modification are also contemplated.
  • the main aim of the practical application of the modified liquid jet is to remove contamination from a substrate against the adhesive force.
  • the aim is to collect momentum in the liquid, in particular in water, which in this way exerts a much higher, jerk-like force on impacting the impurity than a continuous jet is able to apply the same speed.
  • the technical implementation must be carried out periodically.
  • the period will preferably be chosen so long that the subsequent impact of a beam section hits the target surface or the contamination present there directly and not directly, but not the water of the previous impact that is still running off.
  • a longer period also allows a stronger collection of impulses and thus increases the effectiveness of the single impact.
  • the time t k and location x k when and where this happens, can be seen schematically on the basis of a path-time diagram (cf. Fig. 1 ). Place-time lines are shown for three different fluid elements that left the nozzle at times t 0 , t 1 , t 2 . It can be seen that these lines intersect at one point, at x k at time t k . Taking into account the knowledge that the slope of this straight line corresponds to the speed of the fluid elements, it becomes clear that the speed has to increase with a later start time in order to ensure an intersection, ie a union of the fluid elements.
  • a time-varying speed is nothing more than an acceleration.
  • Accelerations of the order of 300-400 m / s 2 at the start of the spraying process have proven to be particularly advantageous. This acceleration may seem very high, but it is only a momentary value. The typical global Accelerations are of the order of 150 m / s 2 . Another reason for the high values is the small time scale that is available for the processes. These take place in hundreds of seconds.
  • the Weber number is a dimensionless number in fluid mechanics. It describes the ratio of inertial force to the stabilizing surface force in two-phase flows, for example a drop of water in air.
  • Fig. 2 shows the dividing line between permanent coalescence and only temporary cohesion between colliding drops of the same size MR Nobari and Y.-J. Jan G. Tryggvason, Head-on collision of drops-A numerical investigation, Physics of Fluids 8 (1), pp. 29-42, 1996 .
  • Fig. 3 shows results on the dividing line between separation and cohesion between colliding drops of the same size MD Saroka, N. Ashgriz and M. Movassat, Numerical Investigation of Head-on Binary Drop Collisions in a Dynamically Inert Environment, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 5, No. 1, pp. 23-37, 2012 .
  • the toughness means that the fluid elements always come together when the Reynolds number is small. If the maximum relative speed that can occur between fluid elements, the drops, before the jet breaks open, the influence of the Weber number will predominate for water. For a beam with a diameter of 1 mm, the maximum relative speed would be approx. 0.8 m / s due to the Reynolds number ⁇ 800, ie through dissipation of the interaction energy. On the other hand, according to the condition of Saroka Ashgriz We ⁇ 34, ie the effect of surface tension with a water jet with a diameter of 1 mm, a maximum relative speed ⁇ v of approx.
  • v tip v Max - ⁇ v exp - t / ⁇ the value for the relative speed is higher by a factor of 1.7 to 2.7 (2.7 - 3.8 m / s).
  • the typical time scale ⁇ in which the union processes take place, is based on the model of the Sagittarius in the range of 6 to 20 ms and the maximum speed v max is approx. 20 - 25 m / s.
  • the maximum relative speed ⁇ v is 3 m / s, because from this relative speed the atomization of the accumulated liquid begins.
  • the duration of the injection is between a few milliseconds and a few tenths of a second.
  • the speed increases during this time by a factor of up to 3-4.
  • the maximum speed of the liquid can reach up to 20 m / s, but it must be expected that in this case or if the maximum speed is exceeded, not a single continuous liquid volume hits the target and instead hits several drops in a small, narrow area within a short time on the surface to be cleaned.
  • Decisive for the principle of action is the concentration of the liquid on a small volume and therefore also for a short-term, ie impulsive force effect on the target.
  • the liquid jet is generated by means of a piston pump and the steady increase in the jet speed when it emerges from the nozzle is brought about by at least time-dependent control of the piston pump and the piston movement.
  • the steady increase in the jet speed when exiting the nozzle is brought about by appropriate control of a nozzle cross section and / or a nozzle opening.
  • the collected impulse can be achieved with a very hard pulsation through a "lump of water”. This generates up to 60 times greater force peaks on the surfaces to be cleaned compared to conventional spray nozzles and thus potential savings of 50% in cleaning time and cleaning agent consumption depending on the contamination characteristics.
  • the power amplification is also far above that of conventional pulsating liquid jets. This is achieved through the special modulation of the spray jets.
  • the method according to the invention enables the collection of beam impulses during the phase of the beam formation and propagation.
  • the target surface e.g. B. a substrate or pollution
  • the approach thus differs fundamentally from previously known active principles of pulsating rays. This difference can be easily explained by comparing the hammer drill and hammer drill: in both, pulse-like impacts are exerted on the workpiece. However, the firing pin on the rotary hammer is accelerated for a considerably longer time before it hits the chisel.
  • Another aspect relates to a device for generating a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single jet section of the discontinuous, modified liquid jet has a shorter length in the direction of movement before hitting a target surface than after exiting from a nozzle.
  • the device comprises the nozzle and a device for generating pressure in the liquid that is fluidly connected to the nozzle.
  • the device for generating pressure of a liquid comprises a controlled piston pump, designed for at least time-dependent control of a piston movement, and / or the nozzle has a controllable nozzle cross-section or a controllable nozzle opening, a controller being configured to do so is to control the piston movement and / or the nozzle cross-section or the nozzle opening in such a way that the modification is caused by different speeds within the individual jet section of the discontinuous, modified liquid jet in such a way that as a result of a steady increase in the jet speed as it emerges from the nozzle in the direction of movement of the rear jet area, catches up with a front jet area of the jet section, in that the individual jet section emerges from the nozzle with increasing speed, the later it emerges from the nozzle, and a widening
  • the liquid previously combined to form the jet section is prevented by not exceeding a critical ratio of inertial force to surface force.
  • a suitable device can z. B. be designed as a nozzle lance.
  • Another aspect of the present invention relates to the use of the device according to the invention as a cleaning device. It is intended to be used for spray cleaning industrial components. It is also provided that Modified liquid jet can be used as a cleaning jet for container cleaning or tank cleaning with a jet cleaner. Spray cleaning of open surfaces of industrial devices and systems or of surfaces of industrial floors, walkways and driveways, terrace floors or facades is also provided. In addition to cleaning applications, surface processing or cutting are also planned. Applications in the areas of stone processing, such as tunneling, mining, fire extinguishing technology or police technology, are also envisaged.
  • the method according to the invention promises an unprecedented mechanical cleaning effect even with large nozzle distances and low operating pressure.
  • the objects are cleaned gently, because the high force peaks only work for a short time, in contrast to cleaning with a jet under high pressure, in which permanently high forces act.
  • resources such as time, water, chemical additives and energy are saved to a great extent compared to known systems.
  • Fig. 11 shows schematically a representation of the nozzle and target surface and the jet sections formed between them, as generated by a pulsation according to the present invention.
  • a cleaning jet this goes hand in hand with a considerable escalation of the cleaning action.
  • the pulse is collected over the entire beam length and discharged in a very short burst with enormous force directly on the surface to be cleaned.
  • a diagram 30 shows the pressure curve over time.
  • the impact pressure p impact is a multiple of the dynamic pressure p dynamic .
  • Both Figures 11 to 14 the time course of the jet pressure applied to the surface to be cleaned by the spray jet is shown, which, when integrated, corresponds to the force course over the jet cross section.
  • Fig. 12 shows schematically a representation of a conventional continuous cleaning jet without pulsation according to the prior art, including a diagram 31, which shows the constant back pressure p jam .
  • a constant dynamic pressure is established after the nozzle is switched on.
  • FIG. 13 Figure 3 shows schematically a representation of a conventional cleaning jet with jet interrupters according to the prior art, including an explanatory diagram 32, which shows matching levels of dynamic pressure p dynamic and surge pressure p dynamic . Except for the interruptions in the pressure curve, a similar jet pressure curve occurs with nozzles with jet interrupters to the continuous case.
  • Cleaning benefits can be expected from two effects.
  • the contamination is more severely impaired if, due to the jet interruptions, the liquid film which dampens the spray jet does not completely clean the one to be cleaned Can form surface.
  • the cleaning fluid will generally flow around the component in a much more turbulent manner. Since the beam interruption is also associated with a loss of momentum on the surface over time, it can be expected that there will be no significantly improved cleaning effect.
  • Fig. 14 shows schematically a representation of a nozzle in pulsating operation according to the prior art, including an explanatory diagram 33 on the ratio of the levels of the dynamic pressure p jam and the shock pressure p jerk .
  • the back pressure corresponding jet pressure reached on the surface.
  • shock waves hit the surface in a short succession, which in turn generate higher pressure peaks than the dynamic pressure.
  • the positive ones of the beam interrupters cf. Fig. 3
  • existing side effects of the not fully developing damping liquid film with high turbulence since in the case shown there is no loss of momentum over time.
  • Fig. 15 shows how the exit velocity of the jet has to increase steadily in order to achieve an abrupt liquid accumulation at the tip of the jet. In the embodiment shown, this could be achieved with a linear motor.
  • the accumulation was achieved by a shaker, which was used to drive a porous piston at 60 Hz.
  • the relative excitation amplitude in figures a) to g) (from left to right) is 0.5; 1; 2; 3; 4; 5; 6.
  • the figures show the formation of water lumps and the jet that is significantly thinner between these lumps.
  • the modulation is to be driven so far that the jet breaks off completely and individual clumps of water that strike one after the other are formed, so that the water has already run out before a new clump of water hits.
  • the surface, the target surface is always hit directly, which further improves the effectiveness.
  • the lumps can also have the shape of a wide, flat cylinder. This shape may be very interesting for cleaning because it covers a larger area at the same time. In this case the diameter of the lump is approximately ten times the undisturbed beam diameter. However, since the jet pressure (impact) applied to the soiled surface is reduced when the diameter is increased, an optimal lump shape for cleaning must be determined and generated.
  • Fig. 16 shows schematically an illustration of a device 100 according to the invention for generating a sequence of jet sections of a discontinuous, modified liquid jet, which is not shown here, but is aligned with the target surface 26 by a corresponding position of a nozzle lance 112 with the nozzle 110.
  • the adjustment of the nozzle lance 112 in the direction of the arrow is made possible by a swivel drive 114, which also includes a joint.
  • the device 100 further comprises a piston pump 116, in which a piston 118 moves and causes the pressure of the liquid from which the liquid jet is generated.
  • the piston 118 is connected via its piston rod to a piston drive 120, which in the preferred embodiment shown here is designed as a linear drive.
  • a controller 122 which controls the piston drive 120 and for this purpose is connected to the piston drive 120 in terms of control technology. There is also such a control connection to the swivel drive 114 and to a metering valve 126.
  • the metering valve 126 doses an intended amount of liquid from a liquid reservoir 124 for each period in order to be able to generate a modified liquid jet with the desired properties.
  • alternative configurations of the proposed solution also provide several exit locations on the nozzle lance 112. These further nozzles 110 can also be configured to be individually controllable, so that too without moving the nozzle lance 112 different locations can be treated simultaneously or in succession.
  • the process sequence according to the invention starts with the metering of the amount of liquid into the piston pump 116.
  • the nozzle 110 is then brought into the desired orientation relative to the target surface 26 by means of the swivel drive 114.
  • the piston drive 120 is then controlled such that the modified liquid jet with the desired properties emerges from the nozzle 110 and strikes the target surface 26 as a lump.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von Strahlabschnitten eines diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls, wobei ein einzelner Strahlabschnitt des Flüssigkeitsstrahls eine solche Modifikation erfährt, dass er vor dem Auftreffen auf einer Zielfläche eine in Bewegungsrichtung geringere Länge hat als nach dem Austritt aus der Düse. Die Erfindung betrifft weiterhin Verwendungen des Flüssigkeitsstrahls. Ein derartig modifizierter Strahl weist eine erhöhte mechanische Wirksamkeit auf, die beispielsweise zum Trennen oder Abtragen genutzt werden kann. Somit erfolgt eine Verbesserung der Erosionswirkung des Flüssigkeitsstrahls. Hierfür sieht der Stand der Technik häufig die Erzeugung eines pulsierenden Fluidstrahls aus einem mit Druck beaufschlagtem Fluid vor.The invention relates to a method and a device for generating a sequence of jet sections of a discontinuous, modified liquid jet, a single jet section of the liquid jet being modified such that it has a shorter length in the direction of movement before hitting a target surface than after it emerged the nozzle. The invention further relates to uses of the liquid jet. A beam modified in this way has increased mechanical effectiveness, which can be used, for example, for separating or removing. This improves the erosion effect of the liquid jet. For this purpose, the prior art often provides for the generation of a pulsating fluid jet from a pressurized fluid.

In der Industrie besteht branchenübergreifend die Forderung nach kürzeren Reinigungszeiten zur Verringerung von Taktzeiten. Dies betrifft beispielsweise die industrielle Bauteilreinigung in der Automobilbranche. Ebenso wird eine Steigerung der Maschinenverfügbarkeit, beispielsweise durch automatisierte Selbstreinigung von Verarbeitungsmaschinen, insbesondere im Lebensmittelsektor, gefordert. Die beiden vorgenannten Bereiche stellen zugleich Schlüsselanwendungen dar, in denen die Reinigung einen bedeutenden Prozessschritt in der Wertschöpfung darstellt. Im gesamten Bereich des Maschinenbaus müssen in der Regel vor jedem Weiterverarbeitungsschritt die Halbzeuge, Roh- und Bauteile sowie Baugruppen gereinigt werden. Hier kann ein modifizierter Flüssigkeitsstrahl in einer Reinigungsroboterkammer für die formatflexible Reinigung industrieller Bauteile eingesetzt werden. Der zweite besonders interessante Anwendungsbereich betrifft die Produktion von hygienekritischen Verbrauchsgütern, wobei die Reinigung von Lebensmitteltanks einen vorteilhaften Einsatzbereich darstellt.In industry there is a demand across all industries for shorter cleaning times to reduce cycle times. This applies, for example, to industrial component cleaning in the automotive industry. An increase in machine availability is also required, for example through automated self-cleaning of processing machines, particularly in the food sector. The two aforementioned areas are also key applications in which cleaning is an important process step in the creation of value. In the entire area of mechanical engineering, the semi-finished products, raw and component parts as well as assemblies generally have to be cleaned before each further processing step. Here, a modified liquid jet can be used in a cleaning robot chamber for the flexible cleaning of industrial components. The second particularly interesting area of application relates to the production of hygiene-critical consumer goods, with the cleaning of food tanks being an advantageous area of application.

Die prinzipielle Wirksamkeit von pulsierenden Spritzreinigungssystemen ist in Fachkreisen und Industrie anerkannt, wobei Meinungen zu bisher angewandten, auf einer Strahlzerbrechung durch Störkonturen beruhenden Pulsationsverfahren geteilt bis eher ablehnend sind. Die bekannten Pulsationsverfahren, erzeugt durch Pumpen- oder Ventilschaltungen, haben Nachteile im auf der Zieloberfläche erzeugten Druckprofil. Sie erzeugen keine harte Pulsation, weswegen die Reinigungswirkung eingeschränkt ist, wenn auch besser als bei nichtpulsierenden Flüssigkeitsstrahlen.The basic effectiveness of pulsating spray cleaning systems is recognized in specialist circles and industry, although opinions on previously used pulsation methods based on beam breakage due to interference contours are divided or rather rejecting. The known pulsation methods, generated by pump or valve circuits, have disadvantages in the pressure profile generated on the target surface. They do not generate hard pulsation, which is why the cleaning effect is limited, albeit better than with non-pulsating liquid jets.

Eine Reihe von derartigen Systemen findet sich auch im druckschriftlichen Stand der Technik. So beschreibt die Druckschrift DE 10 2011 080 852 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Erzeugen eines pulsierenden Fluidstrahls aus mit Druck beaufschlagtem Fluid mit einem Leitungssystem, das wenigstens eine Düse aufweist. Die besitzt einen Düsenmund, aus dem der Fluidstrahl aus dem mit Druck beaufschlagten Fluid austreten kann. Die Vorrichtung besitzt weiterhin eine Kammer, in der eine Druckwellenerzeugungseinrichtung für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen ausgebildet ist. Die Kammer kommuniziert mit dem Leitungssystem durch eine Austrittsöffnung für die erzeugten Fluid-Druckwellen. Die Vorrichtung enthält eine Einstelleinrichtung für das Steuern der Amplitude der Fluid-Druckwellen in dem Leitungssystem vor dem Düsenmund. Mit der Einstelleinrichtung kann eine Helmholtz-Zahl eingestellt werden, die aus dem Quotienten der Weglänge für die Fluid-Druckwellen zwischen der Austrittöffnung der Kammer und dem Düsenmund der Düse in dem Leitungssystem und der Wellenlänge der Fluid-Druckwellen in dem Leitungssystem ermittelt wird. Der gebildete Fluidstrahl dient dem Abtrag von Material, wobei der Erosionseffekt einer behandelten Oberfläche verbessert werden soll. Dies umfasst Reinigen, Schneiden und Bohren.A number of such systems can also be found in the printed prior art. So describes the document DE 10 2011 080 852 A1 an apparatus and a method for generating a pulsating fluid jet from pressurized fluid with a line system having at least one nozzle. It has a nozzle mouth from which the fluid jet can emerge from the pressurized fluid. The device also has a chamber in which a pressure wave generating device for generating fluid pressure waves is formed. The chamber communicates with the pipe system through an outlet opening for the generated fluid pressure waves. The device includes an adjustment device for controlling the amplitude of the fluid pressure waves in the line system in front of the nozzle mouth. The setting device can be used to set a Helmholtz number which is determined from the quotient of the path length for the fluid pressure waves between the outlet opening of the chamber and the nozzle mouth of the nozzle in the line system and the wavelength of the fluid pressure waves in the line system. The fluid jet formed is used to remove material, the erosion effect of a treated surface is to be improved. This includes cleaning, cutting and drilling.

Gemäß Absatz [0007] liegt der vorgeschlagenen Lösung der Gedanke zugrunde, dass sich durch Einkoppeln von Schwingungsenergie in Form von Druckwellen in einen Fluidstrahl, insbesondere in einen Fluidstrahl mit einem Druck von 20 bar, 30 bar oder auch mehr, Fluidpulse erzeugen lassen, bei denen die Schwingungsenergie in Bewegungsenergie umgewandelt ist. Dabei kann die durch Erzeugen von Druckwellen auf das Fluid übertragbare Bewegungsenergie maximiert werden, indem sichergestellt wird, dass die Reflexionen von Druckwellen in einem Leitungssystem für das Zuführen von mit Druck beaufschlagtem Fluid zu einer Düse die erzeugten Druckwellen nicht auslöschen, sondern aufgrund von Interferenz verstärken. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung kann deshalb das Verhältnis der wirksamen Weglänge, welche die Druckwellen in dem Leitungssystem von der Austrittöffnung der Kammer bis an den Düsenmund einer Düse zurücklegen, und der Wellenlänge der Fluid-Druckwellen, d. h. eine die Fluid-Druckwellen in dem Leitungssystem charakterisierende Helmholtz-Zahl, eingestellt werden.According to paragraph [0007], the proposed solution is based on the idea that by coupling vibration energy in the form of pressure waves into a fluid jet, in particular into a fluid jet with a pressure of 20 bar, 30 bar or more, fluid pulses can be generated in which the vibrational energy is converted into kinetic energy. The kinetic energy that can be transmitted to the fluid by generating pressure waves can be maximized by ensuring that the reflections of pressure waves in a line system for supplying pressurized fluid to a nozzle do not cancel out the generated pressure waves, but amplify them due to interference. In the proposed device, therefore, the ratio of the effective path length which the pressure waves travel in the line system from the outlet opening of the chamber to the nozzle mouth of a nozzle, and the wavelength of the fluid pressure waves, i. H. a Helmholtz number characterizing the fluid pressure waves in the line system can be set.

Weiterhin ist in Absatz [0060] ausgeführt, dass die Druckpumpe so ausgelegt ist, dass damit in Kammer ein Fluiddruck in dem Bereich zwischen 40 bar und 150 bar, vorzugsweise ein Fluiddruck in der Größenordnung von 100 bar, erzeugt und eingestellt werden kann. Durch Einstellen des Fluiddrucks in der Kammer, der Frequenz v und der Amplitude der Druckwellen kann die Größe und der gegenseitige Abstand von Flüssigkeitströpfchen in aus der Düse austretenden Fluidstrahlen variiert werden.Furthermore, paragraph [0060] states that the pressure pump is designed such that it generates a fluid pressure in the range between 40 bar and 150 bar, preferably a fluid pressure in the order of 100 bar, in the chamber can be adjusted. By adjusting the fluid pressure in the chamber, the frequency v and the amplitude of the pressure waves, the size and the mutual distance of liquid droplets in fluid jets emerging from the nozzle can be varied.

Nach Absatz [0065] kann durch das Einstellen des Drucks und der Amplitude der Druckwellen in der Kammer die Strömungsgeschwindigkeit und die Gestalt des mit den Düsen erzeugten pulsierenden Fluidstrahls eingestellt werden. Auch die Bildung von einer Serie von Klumpen oder Tropfen, die auf einer festen Oberfläche auftreffen, wird gezeigt.According to paragraph [0065], by adjusting the pressure and the amplitude of the pressure waves in the chamber, the flow rate and the shape of the pulsating fluid jet generated with the nozzles can be adjusted. The formation of a series of clumps or drops that hit a solid surface is also shown.

Die Druckschrift EP 2 145 689 A1 befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Präparierung von Oberflächen mit einem Wasserstrahl, der unter Hochfrequenz forciert pulsierend ist. Dabei kommt ein Hochfrequenzsignalgenerator zum Einsatz, der die Hochfrequenz an einen Schwinger mit einer Mikrospitze überträgt. Die vibrierende Mikrospitze erzeugt einen vibrierenden Wasserstrahl, der aus einer Düsenöffnung ausritt. Der pulsierende Wasserstrahl mit den enthaltenen Mini-Wasserkugeln weist dabei eine verbesserte Erosionsfähigkeit auf, z. B. zum Schneiden oder Reinigen.The publication EP 2 145 689 A1 deals with a method and a device for the preparation of surfaces with a water jet, which is pulsed under high frequency, pulsating. A high-frequency signal generator is used to transmit the high frequency to an oscillator with a microtip. The vibrating microtip creates a vibrating water jet that emerges from a nozzle opening. The pulsating water jet with the contained mini water balls has an improved erosion ability, e.g. B. for cutting or cleaning.

Aus der Druckschrift US 3 687 147 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei Strahlen eines inkompressiblen Fluids in einem spitzen Winkel zueinander stehen und derart in Wechselwirkung treten, dass sich, neben einer Erhöhung der Geschwindigkeit, einzelne Flüssigkeitsklumpen von endlicher Länge und Dauer bilden.From the publication US 3,687,147 A. a method is known in which two jets of an incompressible fluid are at an acute angle to one another and interact in such a way that, in addition to an increase in speed, individual lumps of liquid of finite length and duration form.

Ein weiteres Verfahren zur Flüssigkeitsstrahlformung sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung beschreibt die Druckschrift DE 600 28 949 T2 . Die Vorrichtung zum Herstellen eines Hochdruckfluidstrahls zum Behandeln einer ausgewählten Oberfläche umfasst dabei eine Düse und eine Zuführleitung mit einer ersten Leitungsöffnung, die in Fluidverbindung mit der Düsenöffnung steht, wobei die Zuführleitung des Weiteren eine zweite Leitungsöffnung umfasst, die beabstandet von der ersten Leitungsöffnung zum Ausrichten des Fluidstrahls dient. Die Düse und/oder die Zuführleitung weist wenigstens eine Öffnung stromaufwärts von der zweiten Leitungsöffnung auf, wobei die Öffnung so ausgestattet ist, dass sie an die Quelle des zweiten Fluids anschließbar ist. Die Öffnung ist eine erste Öffnung, wobei die Düse und/oder die Zuführleitung des Weiteren eine zweite Öffnung, beabstandet zu der ersten Öffnung, umfasst. Die ersten und zweiten Öffnungen sind an unterschiedlichen Orten entlang der Achse, die sich zwischen der ersten Leitungsöffnung und der zweiten erstreckt, positioniert. Eine Länge des Leitungskanals zwischen den ersten und zweiten Öffnungen ist wenigstens ungefähr zehnmal größer als der durchschnittliche Durchmesser der zweiten Leitungsöffnung.The document describes another method for liquid jet shaping and a device suitable therefor DE 600 28 949 T2 . The device for producing a high-pressure fluid jet for treating a selected surface comprises a nozzle and a feed line with a first line opening that is in fluid communication with the nozzle opening, the feed line further comprising a second line opening that is spaced apart from the first line opening for aligning the Fluid jet is used. The nozzle and / or the feed line has at least one opening upstream of the second line opening, the opening being equipped such that it can be connected to the source of the second fluid. The opening is a first opening, the nozzle and / or the feed line further comprising a second opening spaced apart from the first opening. The first and second openings are positioned at different locations along the axis extending between the first conduit opening and the second. A length of the conduit between the first and second openings is at least about ten times greater than the average diameter of the second conduit.

Das kontrollierte Einbringen eines zweiten Fluids umfasst das periodische Unterbrechen eines Flusses des zweiten Fluids in Richtung des Fluidstrahls zum Pulsieren des Fluidstrahls. Des Weiteren umfasst das Selektieren von wenigstens der Länge der Leitung und/oder dem Druck des zweiten Fluids und/oder der Durchflussrate des zweiten Fluids dergestalt, dass der Hochdruckfluidstrahl in Resonanz versetzt wird, wenn der Hochdruckfluidstrahl durch die Leitung läuft.The controlled introduction of a second fluid comprises the periodic interruption of a flow of the second fluid in the direction of the fluid jet in order to pulsate the fluid jet. Furthermore, selecting at least the length of the line and / or the pressure of the second fluid and / or the flow rate of the second fluid includes such that the high pressure fluid jet is resonated when the high pressure fluid jet passes through the line.

Aus der Druckschrift DE 215 20 05 A1 ist eine hydraulische Kammer mit Austrittsdüse bekannt. Eine Hydraulikkammer, die eine Düse enthält, die in der Lage ist, einen sehr hohen momentanen gepulsten dynamischen Strahl in einer Vorrichtung bereitzustellen, die eine Stoßwelle in einer relativ inkompressiblen Flüssigkeit erzeugt, wird erhalten, wenn der effektive Ort der Stoßwelle so ist, dass die dadurch erzeugte Druckwelle zum Aufbau schnell und gleichmäßig in einer Richtung entlang der Mittellinie der Düse aufgebracht wird. Eine geeignete Konfiguration für eine solche Kammer ist ein parabolischer Cissoid, bei dem der Ort der Stoßwelle effektiv am Brennpunkt des parabolischen Teils einer solchen Kammer ist, wodurch die resultierenden sphärischen Wellen in additive ebene Wellen in Richtung der Mittellinie der Düse umgewandelt werden. Die in der Vorrichtung verwendete Stoßwelle kann durch mechanische oder elektrische Energie oder eine Kombination davon hergestellt werden.From the publication DE 215 20 05 A1 a hydraulic chamber with an outlet nozzle is known. A hydraulic chamber containing a nozzle capable of providing a very high instantaneous pulsed dynamic jet in a device that generates a shock wave in a relatively incompressible liquid is obtained when the effective location of the shock wave is such that the pressure wave generated thereby is applied quickly and evenly in one direction along the center line of the nozzle for the purpose of building. A suitable configuration for such a chamber is a parabolic cissoid in which the location of the shock wave is effectively at the focal point of the parabolic part of such a chamber, thereby converting the resulting spherical waves into additive plane waves towards the center line of the nozzle. The shock wave used in the device can be produced by mechanical or electrical energy or a combination thereof.

Die Druckschrift DE 334 35 55 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschleunigung von Flüssigkeitsmengen. Einzelne bestimmte Flüssigkeitsmengen werden unter Aussetzung der durch Komprimieren der Flüssigkeit gespeicherten Energie auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Flüssigkeit wird zur Vornahme der Kompression in ein bereits mit Flüssigkeit gefülltes Druckgefäß gepresst. Aufgrund der in der komprimierten Flüssigkeit gespeicherten Energie wird eine bestimmte Flüssigkeitsmenge aus dem Druckgefäß in eine Sammeldüse ausgestoßen, wenn ein Ventil rasch geöffnet wird. Das Ventil wird geöffnet, wenn eine durch die komprimierte Flüssigkeit erzeugte Öffnungskraft eine schließende Vorspannung übersteigt. Durch wiederholtes Einführen von Hochdruckflüssigkeit in das Druckgefäß nimmt das Ventil automatisch Arbeitsspiele vor, um eine Folge von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen. Das rasche Öffnen des Ventils wird über einen Ansatz an dem Ventilelement unterstützt, der dichtend innerhalb des Durchgangs der Sammeldüse gleitet, um die Freigabe der Flüssigkeit so lange zu blockieren, bis das Ventilelement ausreichend beschleunigt, damit die benötigte Öffnungsgeschwindigkeit erreicht wird, wenn der Ansatz den Düsendurchgang freigibt.The publication DE 334 35 55 C1 describes a method and a device for accelerating amounts of liquid. Individual specific amounts of liquid are accelerated to high speeds subject to the energy stored by compressing the liquid. The liquid is pressed into a pressure vessel which is already filled with liquid in order to carry out the compression. Due to the energy stored in the compressed liquid, a certain amount of liquid is expelled from the pressure vessel into a collecting nozzle when a valve is opened quickly. The valve is opened when an opening force generated by the compressed liquid exceeds a closing bias. By repeatedly introducing high pressure fluid into the pressure vessel, the valve takes off working cycles automatically to generate a sequence of pulsating liquid jets. The rapid opening of the valve is assisted by an extension on the valve element that slides sealingly within the passage of the collection nozzle to block the release of the liquid until the valve element accelerates sufficiently to achieve the required opening speed when the extension reaches the Releases nozzle passage.

In Absatz [0005] wird konkretisiert, dass pulsierende Strahlvorrichtungen vorzugsweise eine "Sammel"-Düse verwenden, wie beispielsweise die in der Patentschrift US 33 43 794 beschriebene Vorrichtung, bei der eine Energie enthaltende Flüssigkeitsmenge dem Einlass einer trockenen Düse zugeführt wird. Der vorderste Abschnitt der Flüssigkeitsmenge wird stark beschleunigt, wenn sie längs des sich verengenden Kanals der Sammeldüse fließt, der den größten Teil der Energie der Flüssigkeitsmenge als kinetische Energie in einem kleinen Teil der Flüssigkeitsmenge konzentriert. Der resultierende kurzzeitige Flüssigkeitsstrahl, der aus der Düse austritt, besitzt einen Spitzenstaudruck, der mehrfach größer ist als der statische Druck, der irgendwo innerhalb der Düse auftritt. Mit dem Flüssigkeitsstrahl sind auch diskrete Volumina oder Flüssigkeitsklumpen umfasst (vgl. US 4 863 101 A , die zur selben Patentfamilie gehört wie DE 334 35 55 C1 ).Paragraph [0005] specifies that pulsating jet devices preferably use a "collection" nozzle, such as that in the patent US 33 43 794 Device described, in which an amount of liquid containing energy is supplied to the inlet of a dry nozzle. The foremost portion of the amount of liquid is greatly accelerated as it flows along the narrowing channel of the collection nozzle, which concentrates most of the energy of the amount of liquid as kinetic energy in a small portion of the amount of liquid. The resulting brief liquid jet that emerges from the nozzle has a peak back pressure that is several times greater than the static pressure that occurs somewhere within the nozzle. The liquid jet also includes discrete volumes or lumps of liquid (cf. US 4,863,101 , which belongs to the same patent family as DE 334 35 55 C1 ).

Eine weitere Konkretisierung liefert die Beschreibung in Absatz [0033]. Hiernach kann beispielsweise bei einer Vorrichtung, die zur Bearbeitung von Felsen, Beton und anderen harten Werkstoffen anstelle eines konventionellen Bohrhammers genutzt wird, Druckwasser mit etwa 1379 bar einer Kammer zugeführt werden, die einen Innendurchmesser von etwa 20 cm aufweist. Dieser Druck könnte zu einer Kompression von etwa 5% führen und würde in die Düse Wassermengen mit jeweils einem Volumen von etwa 213 cm3 mit einer Impulsenergie von etwa 13 560 J ausstoßen.The description in paragraph [0033] provides further clarification. According to this, for example in the case of a device which is used to machine rocks, concrete and other hard materials instead of a conventional rotary hammer, pressurized water at approximately 1379 bar can be supplied to a chamber which has an inner diameter of approximately 20 cm. This pressure could lead to a compression of about 5% and would eject water volumes with a volume of about 213 cm 3 each with a pulse energy of about 13 560 J into the nozzle.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Flüssigkeitsstrahlen beschreibt ebenfalls die Druckschrift DE 215 20 03 A . Die vorgeschlagene Lösung erzeugt die mit hoher Frequenz gepulsten Wasserstrahlen durch die Entladung elektrischer Energie und geht von der Erkenntnis aus, dass bei der Entladung von elektrischer Energie aus beispielsweise einem Kondensator in einem geschlossenen und mit einer Flüssigkeit gefüllten Behälter über Elektroden zwischen den Elektroden ein schlauchförmiger Raum entsteht. In diesem herrschen sehr hohe Temperaturen vor. Entladungen dieser Art haben drei Wirkungen. Zum einen verläuft eine Hochdruck-Schallwellenfront von dem Entladungsschlauch nach außen. Zum zweiten entsteht im Bereich des Schlauches eine sehr heiße und expandierende Gasblase, welche überhitzten Dampf und eine erhebliche Menge ionisierter und neutraler Moleküle enthalt. Zum dritten entsteht gleichzeitig mit der Entladung ein hochintensives Kontinuum Licht. Der Druckstoß erfolgt durch Aufheizen zumindest eines Teils eines mit Ausnahme einer Austrittsdüse geschlossenen Flüssigkeitsvolumens durch eine elektrische Entladung innerhalb der Flüssigkeit mit solcher Entladungsdauer und -stärke, dass in der Flüssigkeit eine Stoßwelle entsteht.The document also describes a method and a device for generating pulsed liquid jets DE 215 20 03 A . The proposed solution generates the water jets pulsed at high frequency by the discharge of electrical energy and is based on the knowledge that, when electrical energy is discharged from, for example, a capacitor in a closed container filled with a liquid, electrodes form a tubular space between the electrodes arises. The temperature here is very high in front. Discharges of this kind have three effects. On the one hand, a high-pressure sound wave front runs from the discharge tube to the outside. Secondly, a very hot and expanding gas bubble is created in the area of the hose, which contains superheated steam and a considerable amount of ionized and neutral molecules. Thirdly, a high-intensity continuum of light is created simultaneously with the discharge. The pressure surge takes place by heating at least part of a liquid volume closed with the exception of an outlet nozzle by means of an electrical discharge within the liquid with a discharge duration and intensity such that a shock wave is generated in the liquid.

Aus der Druckschrift DE 372 48 64 C1 kann der Fachmann Kenntnisse über ein Hochdruckwasserstrahlgerät mit pulsierendem Wasserstrahl entnehmen. Das vorgeschlagene Hochdruckwasserstrahlgerät zur Erzeugung pulsierender Wasserstrahlen hat einen gasbelasteten Druckspeicher, der an eine Zuleitung angeschlossen und über eine Rohrleitung mit einem Hauptschwingungserzeuger verbunden ist. Austrittsseitig ist an den Hauptschwingungserzeuger über eine Rohrleitung mit einem eingebauten Rückschlagventil ein zweiter Schwingungserzeuger angeschlossen, in dessen Gehäuse ein Ventilkolben den Eintrittsstutzen mit einer Austrittsdüse verbindet bzw. von dieser abtrennt. An den Eintrittsstutzen des zweiten Schwingungserzeugers ist ein zweiter gasbelasteter Druckspeicher angeschlossen, in dem in Zusammenwirkung mit dem Rückschlagventil die Spitzendrücke der vom Hauptschwingungserzeuger ankommenden Druckwellen gespeichert werden und so eine stufenweise Aufladung stattfindet, bis der Auslösedruck auf den Ventilkolben erreicht ist und die gespeicherte Energie sich in einem kräftigen Wasserstrahl entlädt.From the publication DE 372 48 64 C1 the specialist can gain knowledge of a high-pressure water jet device with a pulsating water jet. The proposed high-pressure water jet device for generating pulsating water jets has a gas-loaded pressure accumulator which is connected to a feed line and is connected to a main vibration generator via a pipeline. On the outlet side, a second vibration generator is connected to the main vibration generator via a pipeline with a built-in check valve, in the housing of which a valve piston connects the inlet nozzle to an outlet nozzle or separates it from the latter. A second gas-loaded pressure accumulator is connected to the inlet port of the second vibration generator, in which, in cooperation with the check valve, the peak pressures of the pressure waves arriving from the main vibration generator are stored and so a step-by-step charging takes place until the trigger pressure on the valve piston is reached and the stored energy accumulates discharged with a powerful jet of water.

Das in der den Hauptschwingungserzeuger mit dem zweiten Schwingungserzeuger verbindenden Rohrleitung angeordnete Rückschlagventil gestattet es, den zweiten Druckspeicher stufenweise aufzuladen, indem nur die Spitzendrücke der vom Hauptschwingungserzeuger im Eigenschwingungszustand erzeugten Druckwellen durchgelassen werden. Die Energie dieser Hochdruckimpulse wird im zweiten Druckspeicher gespeichert und bei Erreichen des an der Quelle gleichbleibenden Druckes einstellbaren Auslösedrucks in einem einzigen kräftigen Wasserstrahlimpuls entladen.The check valve arranged in the pipeline connecting the main vibrator to the second vibrator allows the second pressure accumulator to be gradually charged by allowing only the peak pressures of the pressure waves generated by the main vibrator in the natural vibration state to pass. The energy of these high pressure pulses is stored in the second pressure accumulator and discharged in a single powerful water jet pulse when the trigger pressure adjustable at the source is reached.

Zu den weiteren Druckschriften, die sich der Erzeugung perkussiver Flüssigkeitsstrahlen widmen, gehört die US 3 924 805 A . Dieses Verfahren erzeugt den perkussiven Flüssigkeitsstrahl aus einer kontinuierlichen Strahlentladung, bestehend aus der Erzeugung einer relativ kleinen zyklischen Variation der Austragsgeschwindigkeit um ihren Zeitmittelwert, wobei dem Freistrahl eine Längsänderung der Vorwärtsgeschwindigkeit gegeben wird. Diese zwingt den Freistrahl, um zu einem gebündelten Strahl zu werden, zu einer Änderung des lateralen Durchmessers, die periodisch entlang der Länge des Strahls auftritt. Die zyklische Variation der Austragsgeschwindigkeit wird dabei durch Erzeugen einer zyklischen Veränderung des Flüssigkeitsdrucks am Einlass zu einer Ausstoßdüse erhalten.The other publications that are devoted to the generation of percussive liquid jets include US 3,924,805 A . This procedure creates the percussive liquid jet from a continuous jet discharge, consisting of the generation of a relatively small cyclic variation in the discharge speed around its time average, the free jet being given a longitudinal change in the forward speed. This forces the free jet, in order to become a bundled jet, to change the lateral diameter, which occurs periodically along the length of the jet. The cyclical variation of the discharge speed is obtained by generating a cyclical change in the liquid pressure at the inlet to an ejection nozzle.

Die resultierende Bewegung kann als eine Vorwärtsbewegung des Strahlabschnitts bei der Durchschnittsgeschwindigkeit u betrachtet werden, während der betreffende Teil der Flüssigkeit dazu neigt, infolge der Geschwindigkeitsänderung zu der Mitte dieses Teils zu strömen. Wenn sich also der Abschnitt des Strahls vorwärts bewegt, neigt er auch dazu, den Durchmesser zu verringern oder zu vergrößern. Das heißt, er neigt dazu, sich zu "bündeln". Der Prozess kann auch so betrachtet werden, dass der Teil der schnelleren Flüssigkeit den langsameren innerhalb des Zyklus überholt und sich mit diesem verbindet. Der Prozess geht notwendigerweise mit einer Trennung jedes langsam-schnellen (dadurch gebündelten) Strahlteils von den vorhergehenden und nachfolgenden einher. Somit hat die zyklische Änderung der Ausstoßgeschwindigkeit den Effekt, den kontinuierlichen Strahl von einem gleichförmigen Strom in eine Sequenz von Flüssigkeitspfropfen umzuwandeln.The resulting movement can be regarded as a forward movement of the jet section at the average speed u, while the part of the liquid in question tends to flow to the center of this part due to the change in speed. So as the portion of the beam moves forward, it also tends to decrease or increase in diameter. That is, it tends to "cluster". The process can also be viewed in such a way that the part of the faster fluid overtakes and combines with the slower within the cycle. The process is necessarily accompanied by a separation of each slow-fast (thereby bundled) beam part from the previous and subsequent ones. Thus, the cyclical change in ejection speed has the effect of converting the continuous jet from a uniform stream to a sequence of liquid plugs.

Der zuvor in unterschiedlichen Varianten beschriebene Effekt erfolgt jedoch zufällig und unkontrolliert, zumindest aber ohne besondere Wirkungen, die über die aus dem Stand dem Technik bereits bekannten Wirkungen pulsierender Flüssigkeitsstrahlen hinausgehen würden.However, the effect previously described in different variants takes place randomly and uncontrolled, at least without special effects that would go beyond the effects of pulsating liquid jets already known from the prior art.

Die Offenbarung eines Flüssigkeitsausstoßsystems mit Tropfengeschwindigkeitsmodulation findet sich in der Druckschrift EP 2 714 406 A1 . Das kontinuierliches Flüssigkeitsausstoßsystem umfasst eine Flüssigkeitskammer in fluidischer Verbindung mit einer Düse, wobei die Flüssigkeitskammer Flüssigkeit unter Druck enthält, der ausreicht, um einen Flüssigkeitsstrahl durch die Düse auszustoßen. Eine Tropfenbildungsvorrichtung ist mit dem Flüssigkeitsstrahl verbunden, wobei die Tropfenbildungsvorrichtung betreibbar ist, um eine Modulation in dem Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen. Dies bewirkt, dass Teile des Flüssigkeitsstrahls in eine Reihe von Tropfenpaaren zerbrechen, die sich entlang eines Weges bewegen, wobei jedes Tropfenpaar aus einem ersten und einem zweiten Tropfen besteht.The disclosure of a liquid ejection system with drop velocity modulation can be found in the document EP 2 714 406 A1 . The continuous liquid ejection system includes a liquid chamber in fluid communication with a nozzle, the liquid chamber containing liquid under pressure sufficient to eject a jet of liquid through the nozzle. A drop forming device is connected to the liquid jet, the drop forming device being operable to generate a modulation in the liquid jet. This causes parts of the liquid jet into one Break a series of pairs of drops moving along a path, each pair of drops consisting of a first and a second drop.

Eine Aufladevorrichtung umfasst eine Ladungselektrode, die dem Flüssigkeitsstrahl zugeordnet ist, und eine Quelle mit variierendem elektrischem Potential zwischen der Ladungselektrode und dem Flüssigkeitsstrahl. Die Quelle des variierenden elektrischen Potentials stellt eine Wellenform bereit, die eine Periode enthält, die gleich der Tropfenpaarperiode ist. Die Wellenform enthält einen ersten und einen zweiten unterschiedlichen Spannungszustand, wobei die Aufladevorrichtung mit der Tropfenbildungseinrichtung synchronisiert ist, um einen ersten Ladungszustand auf dem ersten Tropfen zu erzeugen und um einen zweiten Ladungszustand auf dem zweiten Tropfen zu erzeugen. Die Tropfengeschwindigkeitsmodulationsvorrichtung ändert die Relativgeschwindigkeit des ersten und des zweiten Tropfens, um die Verbindung der Tropfen zu einem kombinierten Tropfen mit einem dritten Ladungszustand zu steuern. Es ist eine Ablenkvorrichtung vorgesehen, die bewirkt, dass der erste Tropfen mit dem ersten Ladungszustand sich entlang eines ersten Weges bewegt, der zweite Tropfen mit dem zweiten Ladungszustand sich entlang eines zweiten Weges bewegt und der kombinierte Tropfen mit dem dritten Ladezustand sich auf einem dritten Pfad bewegt.A charging device comprises a charge electrode associated with the liquid jet and a source with a varying electrical potential between the charge electrode and the liquid jet. The source of the varying electrical potential provides a waveform that includes a period that is equal to the drop pair period. The waveform includes a first and a second different voltage state, the charging device being synchronized with the drop formation device in order to generate a first charge state on the first drop and to generate a second charge state on the second drop. The drop speed modulation device changes the relative speed of the first and second drops to control the connection of the drops to a combined drop with a third charge state. A deflection device is provided which causes the first drop with the first charge state to move along a first path, the second drop with the second charge state to move along a second path, and the combined drop with the third charge state move along a third path emotional.

Da geringfügige Änderungen in der Amplitude die Wellenform der Energieimpulse, die zum Flüssigkeitsstrahl zur Tropfenbildung übertragen werden, die Geschwindigkeit der gebildeten Tropfen beeinflussen, kann die Geschwindigkeit eines oder beider Tropfen in einem Tropfenpaar moduliert werden. Das wird erreicht, indem die Eigenschaften der auf den Flüssigkeitsstrahl übertragenen Energie verändert werden.Since slight changes in the amplitude affect the waveform of the energy pulses which are transmitted to the liquid jet for drop formation, the speed of the drops formed, the speed of one or both drops in a drop pair can be modulated. This is achieved by changing the properties of the energy transferred to the liquid jet.

Die Druckschrift EP 2 485 847 A2 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Zylinderbohrungsflächen mit einem gepulsten Wasserstrahl. Die Vorbereitung einer Oberfläche einer Zylinderbohrung erfolgt unter Verwendung eines gepulsten Wasserstrahls. Folgende Verfahrensschritte sind vorgesehen: Erzeugen eines Signals mit einer Frequenz unter Verwendung eines Signalgenerators; Anlegen des Signals zur Erzeugung eines gepulsten Wasserstrahls durch eine Austrittsöffnung einer Düse mit einer Austrittsöffnung und mit einem zylindrischen Abschnitt der Austrittsöffnung; Veranlassen, dass der gepulste Wasserstrahl auf die Oberfläche der Zylinderbohrung auftrifft, um die Oberfläche innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Oberflächenrauhigkeit vorzubereiten. Der vorbestimmte Bereich der Oberflächenrauhigkeit wird ausgewählt anhand von Betriebsparametern, die einen Abstand, eine Traversengeschwindigkeit der Düse, einen Wasserdruck, eine Wasserströmungsrate, ein Öffnungslängen-zu-Durchmesser-Verhältnis, die Frequenz und eine Amplitude des Signals umfassen.The publication EP 2 485 847 A2 teaches a method and apparatus for making cylinder bore surfaces with a pulsed water jet. A cylinder bore surface is prepared using a pulsed water jet. The following method steps are provided: generating a signal with a frequency using a signal generator; Applying the signal to generate a pulsed water jet through an outlet opening of a nozzle with an outlet opening and with a cylindrical section of the outlet opening; Allow the pulsed water jet to hit the surface of the cylinder bore to prepare the surface within a predetermined range of surface roughness. The predetermined range of Surface roughness is selected based on operating parameters that include distance, nozzle crosshead speed, water pressure, water flow rate, orifice length to diameter ratio, frequency and amplitude of the signal.

Gemäß einem Aspekt der vorgeschlagenen Lösung, beschrieben in den Absätzen [0015] und [0035], kann der gepulste Wasserstrahl durch die Erzeugung hochfrequenter pulsierender Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden. Diese Hochfrequenz-Flüssigkeitsstrahlen können mit internen mechanischen Strömungsmodulatoren, Helmholtz-Oszillatoren, selbstresonierenden Düsen und/ oder Ultraschalldüsen erzeugt werden. Zusätzlich kann der gepulste Wasserstrahl unter Verwendung von akustischen Wellen erzeugt werden, beispielsweise durch eine akustische Welle, der mittels eines akustischen Wandlers auf die Flüssigkeit einwirkt. Die angestrebte Wirkung basiert darauf, dass der Wasserstrahlaufprall auf ein Materialtarget durch Ultraschallmodulation vergrößert wird. Wenn nämlich ein Tropfen oder ein Flüssigkeitspfropfen auf die gleiche Oberfläche schlägt, wird der anfängliche Aufpralldruck viel höher sein.According to one aspect of the proposed solution, described in paragraphs [0015] and [0035], the pulsed water jet can be generated by generating high-frequency pulsating liquid jets. These high-frequency liquid jets can be generated with internal mechanical flow modulators, Helmholtz oscillators, self-resonating nozzles and / or ultrasound nozzles. In addition, the pulsed water jet can be generated using acoustic waves, for example an acoustic wave, which acts on the liquid by means of an acoustic transducer. The desired effect is based on the fact that the water jet impact on a material target is increased by ultrasound modulation. Namely, if a drop or a drop of liquid hits the same surface, the initial impact pressure will be much higher.

Bei einem weiteren Beispiel, beschrieben in Absatz [0039], würde eine auf 69 MPa eingestellte Pumpe einen Schlagwasserdruck auf der Zielfläche 566 MPa erreichen. Da das Verhalten des Materials von dem Aufpralldruck und der Zeit abhängt, die wiederum durch die Frequenz und den Düsendurchmesser bestimmt werden, wird durch die Verwendung von erzwungenen gepulsten Wasserstrahlen eine signifikante Verbesserung der Materialerosion oder der Oberflächenvorbereitung erreicht.In another example, described in paragraph [0039], a pump set to 69 MPa would achieve a blow water pressure on the target area of 566 MPa. Since the behavior of the material depends on the impact pressure and the time, which in turn are determined by the frequency and the nozzle diameter, a significant improvement in material erosion or surface preparation is achieved by using forced pulsed water jets.

Aus den Druckschriften EP 2 877 697 A1 bzw. WO 2014/018977 A1 ist ein Hyperdruckpulsbagger bekannt. Zur Erzeugung eines Fluidpulses ist ein Hyperdruck-Wasserkanonensystem vorgesehen. Dieses umfasst einen Druckbehälter, der mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluid gekoppelt ist, wobei der Druckbehälter ein Ablassventil umfasst. Eine Düse weist einen geraden Abschnitt und einen konvergierenden verjüngten Abschnitt auf, wobei die Düse mit dem Druckbehälter nach einem Ablassventil verbunden ist. Die Geschwindigkeit des unter Druck stehenden Fluids, das durch das Ablassventil aus dem Druckbehälter abgegeben wird, nimmt zu, wenn es durch die Düse fließt.From the pamphlets EP 2 877 697 A1 or. WO 2014/018977 A1 a hyperpressure pulse excavator is known. A hyperpressure water cannon system is provided to generate a fluid pulse. This includes a pressure vessel coupled to a source of pressurized fluid, the pressure vessel including a drain valve. A nozzle has a straight section and a converging tapered section, the nozzle being connected to the pressure vessel after a drain valve. The velocity of the pressurized fluid discharged from the pressure vessel through the drain valve increases as it flows through the nozzle.

In der Praxis ändert sich die Geschwindigkeit des aus dem Kanonenventil austretenden Wassers kontinuierlich, es wird jedoch ein Impuls von etwa 0,5 m Länge mit einer Geschwindigkeit von über 500 m/s erzeugt. Die kinetische Energie des Impulses steigt linear bis etwa 0,5 m an und steigt dann mit einer niedrigeren Rate weiter an. Die Geschwindigkeit ist niedrig, wenn sich das Ventil öffnet, erreicht einen Spitzenwert nach dem Öffnen des Ventils und fällt dann ab, wenn auch der Druck abfällt (dekomprimiert). Ein gerader Düsenabschnitt akkumuliert das Wasser an der Vorderkante des Impulses und ermöglicht, dass das Fluid mit der höheren Geschwindigkeit aufholt, wodurch ein Flüssigkeitspfropfen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gebildet wird.In practice, the speed of the water exiting the cannon valve changes continuously, but a pulse of about 0.5 m in length is generated at a speed of over 500 m / s. The kinetic energy of the pulse increases linearly up to about 0.5 m and then increases further at a lower rate. The speed is slow when the valve opens, peaks after opening the valve, and then drops when the pressure also drops (decompressed). A straight nozzle section accumulates the water at the leading edge of the pulse and allows the fluid to catch up at the higher speed, thereby forming a plug of liquid at a uniform speed.

Eine numerische Analyse zeigt, dass ein komprimiertes Wasserkanonenwerkzeug komprimierten Wasserimpuls erzeugen kann, der 300 mm lang ist und sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 520 m/s bewegt. Die Vorderkante beschleunigt auf über 2000 m/s, während die Hinterkante abbremst.Numerical analysis shows that a compressed water cannon tool can produce compressed water pulses that are 300 mm long and move at a speed of about 520 m / s. The leading edge accelerates to over 2000 m / s while the trailing edge brakes.

Neben dem druckschriftlichen Stand der Technik sind weitere Veröffentlichungen bekannt, die sich auf das Gebiet der Modulation von Flüssigkeitsstrahlen beziehen. Die Modulation von Flüssigkeitsstrahlen ist jedoch bisher fast ausschließlich zur Erhöhung des Wirkungsgrades beim Wasserstrahlschneiden von Gestein und harten Materialien betrachtet worden, wie auch der zuvor gewürdigte Stand der Technik zeigt. Hierbei wird im Hochdruckbereich p ≥ 1000 bar gearbeitet. Veröffentlichungen hierzu enthalten die Tagungsbände der Water Jet Conferences und der Jet Cutting Symposia ( Cooley, W. C.: Rock Breakage by Pulsed High Pressure Water Jets, First International Symposium on Jet Cutting Technology, Paper B7, 1972 ; Nebeker, E. B.; Rodriguez, S. E.: Percussive Water Jets for Rock Cutting, Third International Symposi-um on Jet Cutting Technology, BHRA Fluid Engineering, Paper B-1, 1976 ; Nebeker, E. B.: Development of Large-Diameter Percussive Jets, First U. S. Water Jet Symposium, Colorado School of Mines, pp.IV5 .1-11, 1981 ; Nebeker, E. B.: Standoff Distance Improvement Using Percussive Jets, Proc. 2nd U.S. Water Jet Conference, WJTA, pp. 25-34, 1983 ; Dehkhoda, S.: Experimental Study of Rock Breakage with Pulsed Waterjet, 8th Asian Rock Mechanics Symposium ARMS8, Sapporo, Japan, 2014 ). Dabei wurden Methoden untersucht, um den Wasserstrahl zu unterbrechen bzw. zu zerhacken ( Metcalfe, R. A.; Davies, T. W.: Experimental Study of the Impact of Broken Water Jets, 4th International Symposium on Jet Cutting Technology, 1978 ; Lichtarowicz, A.; Nwachukwu, G.: Erosion by an Interrupted Jet, Proc. 4th International Symposium on Jet Cutting Technology, pp.13-18, 1978 ; Vijay, M.M.; Remisz, J.; Shen, X.: Fragmentation of Hard Rocks with Discontinuous Water Jets, Proc. 3rd Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology, pp.201-224, 1992 ), nicht jedoch diesen zielgerichtet zu modulieren. Dieses Zerhacken geschieht vorwiegend im für diesen hohen Druck relativ niederfrequenten Bereich bis ca. 100 Hz. Andere Veröffentlichungen benutzen zur Modulation des Strahls Resonatoren in der Düse ( Chahine, G. L.; Conn, A. F.; Johnson, V. E.; Frederick, G. S.: Cleaning and Cutting with Self-Resonating Pulsed Water Jets, Proc. 2nd U .S. Water Jet Conference, WJTA, pp.167-173, 1983 ; Conn, A.F.: Asbestos Removal with Self-Resonating Water Jets, Proc . 5th U.S. Water Jet Symposium, pp.133-139, 1989 ; Bortolussi, A., R.; Ciccu, W.M.; Kim, P.P.; Manca, P.; Massacci, G.: Jet Power Optimization in Granite Kerfing Using Oscillating Nozzles, Proc. 6th American Water Jet Conference, pp.71-86, 1991 ). Diese Systeme liefern Pulsationen im Bereich von einigen kHz. Erst in letzter Zeit wurden mit Ultraschall modulierte Strahlen von der Gruppe um Foldyna für die Bearbeitung und Reinigung von Beton ( Foldyna, J.; Sitek, L.; Svehla, B.; Svehla, S.: Utilization of ultrasound to enhance high-speed water jet effects, Ultrasonics Sonochemistry, 11, pp. 131-137, 2004 ; Bodnärovä, L.; Sitek, L.; Hela, R.; Foldyna, J.: New Potential Of Highspeed Water Jet Technology For Renovating Concrete Structures, Slovac Journal of Civil Engineering, Vol. XIX, No. 2, pp.1-7, 2011 ) oder für den Abtrag von Asbest angewandt. Eine Anwendung von pulsierenden bzw. unterbrochenen Flüssigkeitsstrahlen zum Zwecke der Reinigung im Niederdruckbereich findet man erst ab 2010 ( Augustin W.; Fuchs T.; Föste H.; Schöler, M.; Majschak, J.-P.; Scholl, S.: Pulsed flow for enhanced cleaning in food processing, Food and Bioproducts Processing 88, pp. 384-391, 2010 ; Weidemann, C.; Vogt, S.; Nirschl, H.: Cleaning of filter media by pulsed flow - Establishment of dimensionless operation numbers describing the cleaning result, Journal of Food Engineering, 132, pp. 29-38, 2014 ; Stoye, H.; Köhler, H.; Mauermann, M.; Majschak, J.-P.: Untersuchungen zur Steigerung der Reinigungseffizienz durch pulsierende Spritzreinigung, Chem. Ing. Tech., 86, No. 5, pp. 707-713, 2014 ).In addition to the state of the art in print, further publications are known which relate to the field of modulation of liquid jets. However, the modulation of liquid jets has so far been considered almost exclusively to increase the efficiency of water-jet cutting of rock and hard materials, as is also shown by the state of the art previously recognized. The high pressure range p ≥ 1000 bar is used. Publications on this include the conference volumes of the Water Jet Conferences and the Jet Cutting Symposia ( Cooley, WC: Rock Breakage by Pulsed High Pressure Water Jets, First International Symposium on Jet Cutting Technology, Paper B7, 1972 ; Nebeker, EB; Rodriguez, SE: Percussive Water Jets for Rock Cutting, Third International Symposi-um on Jet Cutting Technology, BHRA Fluid Engineering, Paper B-1, 1976 ; Nebeker, EB: Development of Large-Diameter Percussive Jets, First US Water Jet Symposium, Colorado School of Mines, pp.IV5 .1-11, 1981 ; Nebeker, EB: Standoff Distance Improvement Using Percussive Jets, Proc. 2nd US Water Jet Conference, WJTA, pp. 25-34, 1983 ; Dehkhoda, S .: Experimental Study of Rock Breakage with Pulsed Waterjet, 8th Asian Rock Mechanics Symposium ARMS8, Sapporo, Japan, 2014 ). Methods were examined to interrupt or chop the water jet ( Metcalfe, RA; Davies, TW: Experimental Study of the Impact of Broken Water Jets, 4th International Symposium on Jet Cutting Technology, 1978 ; Lichtarowicz, A .; Nwachukwu, G .: Erosion by an Interrupted Jet, Proc. 4th International Symposium on Jet Cutting Technology, pp.13-18, 1978 ; Vijay, MM; Remisz, J .; Shen, X .: Fragmentation of Hard Rocks with Discontinuous Water Jets, Proc. 3rd Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology, pp.201-224, 1992 ), but not to modulate it in a targeted manner. This chopping mainly occurs in the relatively low-frequency range up to approx. 100 Hz for this high pressure. Other publications use resonators in the nozzle to modulate the beam ( Chahine, GL; Conn, AF; Johnson, VE; Frederick, GS: Cleaning and Cutting with Self-Resonating Pulsed Water Jets, Proc. 2nd U .S. Water Jet Conference, WJTA, pp.167-173, 1983 ; Conn, AF: Asbestos Removal with Self-Resonating Water Jets, Proc. 5th US Water Jet Symposium, pp.133-139, 1989 ; Bortolussi, A., R .; Ciccu, World Cup; Kim, PP; Manca, P .; Massacci, G .: Jet Power Optimization in Granite Kerfing Using Oscillating Nozzles, Proc. 6th American Water Jet Conference, pp.71-86, 1991 ). These systems deliver pulsations in the range of a few kHz. Only recently ultrasound-modulated beams have been used by the group around Foldyna for the processing and cleaning of concrete ( Foldyna, J .; Sitek, L .; Svehla, B .; Svehla, S .: Utilization of ultrasound to enhance high-speed water jet effects, Ultrasonics Sonochemistry, 11, pp. 131-137, 2004 ; Bodnärovä, L .; Sitek, L .; Hela, R .; Foldyna, J .: New Potential Of Highspeed Water Jet Technology For Renovating Concrete Structures, Slovac Journal of Civil Engineering, Vol. XIX, No. 2, pp. 1-7, 2011 ) or for the removal of asbestos. An application of pulsating or interrupted liquid jets for the purpose of cleaning in the low pressure area can only be found from 2010 ( Augustin W .; Fuchs T .; Föste H .; Schöler, M .; Majschak, J.-P .; Scholl, S .: Pulsed flow for enhanced cleaning in food processing, Food and Bioproducts Processing 88, pp. 384-391, 2010 ; Weidemann, C .; Vogt, S .; Nirschl, H .: Cleaning of filter media by pulsed flow - Establishment of dimensionless operation numbers describing the cleaning result, Journal of Food Engineering, 132, pp. 29-38, 2014 ; Stoye, H .; Köhler, H .; Mauermann, M .; Majschak, J.-P .: Investigations to increase cleaning efficiency by pulsating spray cleaning, Chem. Ing. Tech., 86, No. 5, pp. 707-713, 2014 ).

Ein grundlegender Nachteil des Stands der Technik ist es, dass für die Spritzreinigung keine Verringerung der Reinigungszeit durch signifikante Erhöhung der Reinigungsmechanik möglich ist. Dabei bilden, neben der Zeit und der Mechanik, die Temperatur und die Chemie die weiteren wichtigen Einflussfaktoren auf die Reinigung. Die Erhöhung der Temperatur sowie des Chemieeinsatzes stellt jedoch aus Umwelt- und Kostenaspekten keine gesellschaftlich akzeptable Alternative zur Minimierung der Zielgröße Reinigungszeit dar. Des Weiteren ist der als mögliche Stellgröße für die Erhöhung der Mechanik dienende, maximal einstellbare Betriebsdruck des Reinigungssystems in der Regel anlagen- oder prozesstechnisch nach oben limitiert. So liegt der für die Spritzreinigung wirtschaftlich interessante und am meisten verwendete Bereich zwischen 2 und 6 bar. Gründe dafür sind, dass hier der Aufwand für die Pumpen sowie die Arbeits- und Schallschutzmaßnahmen in einem günstigen Verhältnis zum Reinigungsergebnis stehen und die derzeitig verbreiteten Reinigungschemikalien auf diesen Druckbereich ausgelegt sind. Auch die Erhöhung des durch das Reinigungssystem geförderten Volumenstroms ist aus Sicht der Ressourceneffizienz und wegen der nachträglich erforderlichen Abwasserbehandlung nicht praktikabel. Folglich sind neue Ansätze gefragt, mit welchen die mechanische Reinigungskomponente bei gleichzeitiger Ressourcenschonung weiter erhöht werden kann.A fundamental disadvantage of the prior art is that spray cleaning cannot reduce the cleaning time by significantly increasing the cleaning mechanics. In addition to time and mechanics, temperature and chemistry are the other important factors influencing cleaning. However, the increase in temperature and the use of chemicals is not a socially acceptable alternative to minimizing environmental and cost considerations Target value is cleaning time. Furthermore, the maximum adjustable operating pressure of the cleaning system, which serves as a possible manipulated variable for increasing the mechanics, is generally limited in terms of system or process technology. The economically interesting and most frequently used range for spray cleaning is between 2 and 6 bar. The reasons for this are that the costs for the pumps as well as the work and noise protection measures are in a favorable ratio to the cleaning result and the currently widespread cleaning chemicals are designed for this pressure range. Increasing the volume flow promoted by the cleaning system is also impractical from the point of view of resource efficiency and because of the wastewater treatment that is subsequently required. As a result, new approaches are required with which the mechanical cleaning component can be further increased while conserving resources.

Mit den zuvor beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es möglich, einzelne Abschnitte eines Flüssigkeitsstrahls abzugeben oder dem Flüssigkeitsstrahl eine mehr oder minder gesteuerte Pulsation aufzuprägen, so dass im Vergleich zu einem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl ein höherer Energieeintrag in die Zieloberfläche und ein besseres Ergebnis bei einer Bearbeitung der Zieloberfläche, z. B. eine erwünschte Abrasion, erreicht werden können. Hierzu sind verschiedenartige Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die durch zusätzliche Einrichtungen, wie eine zusätzliche Strahlerzeugung oder eine Oszillationseinrichtung, zur eigentlichen Strahlerzeugung aufwändig, teuer und störanfällig sind. Zudem existiert in der Spritzreinigung derzeit kein Pulsationsverfahren, welches eine geeignete Strahlmodulation aufweist, um eine maximal harte Pulsation gemäß den potenziellen Möglichkeiten der Flüssigkeit auf der zu reinigenden Oberfläche zu erzeugen.With the previously described methods known from the prior art, it is possible to deliver individual sections of a liquid jet or to apply a more or less controlled pulsation to the liquid jet, so that, compared to a continuous liquid jet, a higher energy input into the target surface and a better result when editing the target surface, e.g. B. a desired abrasion can be achieved. For this purpose, various types of devices have been proposed, which are complex, expensive and prone to failure due to additional devices, such as an additional beam generation or an oscillation device, for the actual beam generation. In addition, there is currently no pulsation method in spray cleaning which has a suitable beam modulation in order to generate a maximum hard pulsation in accordance with the potential possibilities of the liquid on the surface to be cleaned.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines modifizierten Flüssigkeitsstrahls mit erhöhter mechanischer Wirksamkeit anzubieten, die einfach aufgebaut ist und bei vermindertem Flüssigkeitsbedarf eine weiter verbesserte Wirkung, insbesondere einen verbesserten Abrasionseffekt, aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device for producing a modified liquid jet with increased mechanical effectiveness, which is simple in construction and has a further improved effect, in particular an improved abrasion effect, with a reduced liquid requirement.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Folge von Abschnitten eines Flüssigkeitsstrahls, wobei ein einzelner Strahlabschnitt des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls vor dem Auftreffen auf einer Zielfläche eine in Bewegungsrichtung geringere Länge hat als nach dem Austritt aus einer Düse. Erfindungsgemäß wird die Modifikation durch unterschiedliche Geschwindigkeiten innerhalb des einzelnen Strahlabschnitts des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls in der Weise hervorgerufen, dass infolge einer stetigen Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse ein in Bewegungsrichtung hinterer Strahlbereich einen vorderen Strahlbereich des Strahlabschnitts einholt, indem der einzelne Strahlabschnitt mit zunehmender Geschwindigkeit aus der Düse austritt, je später er aus der Düse austritt, und wobei ein Aufbrechen der zuvor zu dem Strahlabschnitt vereinigten Flüssigkeit verhindert wird, indem ein kritisches Verhältnis von Trägheitskraft zur Oberflächenkraft nicht überschritten wird.The object is achieved by a method for producing a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single jet section of the discontinuous, modified liquid jet before striking one Target surface has a shorter length in the direction of movement than after exiting from a nozzle. According to the invention, the modification is brought about by different speeds within the individual jet section of the discontinuous, modified liquid jet in such a way that, as a result of a constant increase in the jet speed as it emerges from the nozzle, a jet area which is in the rear in the direction of movement catches up with a front jet area of the jet section by the individual jet section also increasing speed emerges from the nozzle, the later it exits the nozzle, and wherein a breakup of the liquid previously combined to form the jet section is prevented by not exceeding a critical ratio of inertial force to surface force.

Der Mechanismus eines modifizierten Flüssigkeitsstrahls mit erhöhter mechanischer Wirksamkeit, mit dessen Hilfe in der Natur Schützenfische Insekten jagen, wurde wissenschaftlich aufgeklärt. Eine ganz definierte Modulation sowohl der als Düsenfläche fungierenden Mundöffnung als auch des Drucks in der Mundhöhle der Fische liefert eine stetige Erhöhung sowohl der Wasserstrahlgeschwindigkeit als auch des Wasserstrahlimpulses über der Zeit. Diese besondere Form der Beschleunigung des Wassers führt dazu, dass sich eine Ansammlung von Wasser an der Spitze des Strahles mit dem gesammelten Impuls aufbaut, der über die Dauer des Auswurfs aus der Mundöffnung des Fischs abgegeben wurde. Dieser "Wasserklumpen" vermag deshalb bei dem kurzen Zusammenprall mit dem Insekt eine Kraft aufzubringen, die einem Vielfachen der Kraft des einfachen Wasserstrahls entspricht, denn Kraft ist die zeitliche Ableitung des Impulses. Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, über die gesamte Strahllänge, die dem Abstand zwischen Düse und Zielfläche entspricht, einen Impuls zu sammeln, um diesen dann in einem sehr kurzen Stoß in eine starke Kraft umzuwandeln. Dieses physikalische Prinzip wird auf andere Weise, z. B. bei Schlagbohrmaschinen in der Mechanik, bereits angewandt.The mechanism of a modified liquid jet with increased mechanical effectiveness, with the help of which sniper fish hunt insects in nature, has been scientifically elucidated. A very defined modulation of both the mouth opening acting as the nozzle surface and the pressure in the oral cavity of the fish provides a constant increase in both the water jet speed and the water jet impulse over time. This particular form of water acceleration causes a build-up of water to build up at the tip of the jet with the collected impulse that was released from the mouth of the fish over the duration of the ejection. This "clump of water" is therefore able to exert a force in the short collision with the insect that corresponds to a multiple of the force of the simple water jet, because force is the time derivative of the impulse. The invention therefore has set itself the goal of collecting a pulse over the entire jet length, which corresponds to the distance between the nozzle and the target surface, in order then to convert it into a strong force in a very short stroke. This physical principle is used in other ways, e.g. B. already used in impact drills in mechanics.

Die Masse, die im ungestörten Strahl (du = 3 mm infolge Strahlkontraktion an der Düse) zwischen zwei Störstellen enthalten ist, beträgt: m u = ρ V u = ρ π 4 d u 2 L ρ Dichte , V Volumen

Figure imgb0001
The mass contained in the undisturbed jet (d u = 3 mm due to jet contraction at the nozzle) between two defects is: m u = ρ V u = ρ π 4th d u 2nd L ρ ... density , V ... volume
Figure imgb0001

Die Masse in einem Klumpen ergibt sich aus der Differenz zwischen der Masse des ungestörten Strahls und der Masse des verbleibenden dünnen Strahls zwischen den Klumpen: m k = ρ V k = ρ π 4 d u 2 d s 2 L

Figure imgb0002
The mass in a lump results from the difference between the mass of the undisturbed beam and the mass of the remaining thin beam between the lumps: m k = ρ V k = ρ π 4th d u 2nd - d s 2nd L
Figure imgb0002

Teilt man nun beide Massen, erhält man den Massenanteil im Klumpen: m k m u = d u 2 d s 2 d u 2 = 9 1 9 = 89 %

Figure imgb0003
If you now split both masses, you get the mass fraction in the lump: m k m u = d u 2nd - d s 2nd d u 2nd = 9 - 1 9 = 89 %
Figure imgb0003

Die Kraft F, die ein Strahl beim Aufprall auf ein Substrat ausübt, ist gleich der Impulsänderung des Strahls. Bei einem ungestörten Strahl ist die Geschwindigkeit konstant und somit auch die Aufprallkraft. Diese ist gleich dem Produkt aus Massenstrom mal Strahlgeschwindigkeit vordem Aufprall: F u = δm δt u = π 4 ρ d u 2 u 2 = 0,13 N

Figure imgb0004
The force F that a beam exerts on impact with a substrate is equal to the change in momentum of the beam. In the case of an undisturbed beam, the speed is constant and thus the impact force. This is equal to the product of mass flow times jet speed before impact: F u = δm δt u = π 4th ρ d u 2nd u 2nd = 0.13 N
Figure imgb0004

Mit den Werten für den ungestörten Fall ergibt sich eine Kraft von 0,13 Newton. Für den instationären Fall wird der Impuls des Klumpens berechnet und die Zeit Δt, in der dieser Impuls an das Substrat abgegeben wird, abgeschätzt. Dies ist mit Hilfe der Dicke des Klumpens möglich. Dessen Dicke entspricht etwa dem Strahldurchmesser (ungestört), d. h. die Wechselwirkung erfolgt in einer Zeit von Δt = du /u ≈ 0,7ms. Die Kraft des Klumpens Fk ergibt nach folgender Berechnung 2,76 Newton: F k = Δ I Δ t = I 0 Δ t = m k u Δ t = 2,76 N

Figure imgb0005
With the values for the undisturbed case, a force of 0.13 Newton results. For the unsteady case, the pulse of the lump is calculated and the time Δt in which this pulse is delivered to the substrate is estimated. This is possible using the thickness of the lump. Its thickness corresponds approximately to the beam diameter (undisturbed), ie the interaction takes place in a time of Δ t = d u / u ≈ 0.7 ms. The force of the lump F k is 2.76 Newtons according to the following calculation: F k = Δ I. Δ t = I. - 0 Δ t = m k u Δ t = 2.76 N
Figure imgb0005

Dieser Wert ist 21-fach höher als beim ungestörten Strahl. Dabei wurden die der Berechnung zugrunde liegenden Versuche nicht mit dem Ziel durchgeführt, eine Maximierung des Impulssammelns zu erreichen.This value is 21 times higher than with the undisturbed beam. The experiments on which the calculation was based were not carried out with the aim of maximizing the pulse collection.

Zur praktischen technischen Umsetzung sind unterschiedliche Ansätze geeignet. Die Umsetzung der Modulation der Düsenfläche ist technisch realisierbar, jedoch deutlich aufwändiger als die praktikablere Modulation des Drucks. Die Druckmodulation kann z. B. über eine Nockenwelle erreicht werden, die den Kompressionskolben einer Pumpe gegen eine Feder bewegt. Die Formgebung der Nockenwelle ist dann entscheidend für den Druckverlauf. Andere Formen der Druckmodifikation sind ebenfalls vorgesehen.Different approaches are suitable for practical technical implementation. The implementation of the modulation of the nozzle surface is technically feasible, but significantly more complex than the more practical modulation of the pressure. B. can be achieved via a camshaft that moves the compression piston of a pump against a spring. The shape of the camshaft is then decisive for the pressure curve. Other forms of print modification are also contemplated.

Ziel der praktischen Anwendung des modifizierten Flüssigkeitsstrahls ist es vor allem, Verunreinigung von einem Substrat gegen die Haftkraft abzulösen. Mit kleinen Drücken, aber sehr definierter, zeitlicher Entwicklung der Geschwindigkeit aus der Düse soll ein Aufsammeln von Impuls in der Flüssigkeit, insbesondere im Wasser, erreicht werden, das beim Aufprall auf die Verunreinigung dadurch eine wesentlich höhere, stoßartige Kraft aufbringt, als ein kontinuierlicher Strahl gleicher Geschwindigkeit aufzubringen vermag.The main aim of the practical application of the modified liquid jet is to remove contamination from a substrate against the adhesive force. With small pressures, but a very defined, temporal development of the speed from the nozzle, the aim is to collect momentum in the liquid, in particular in water, which in this way exerts a much higher, jerk-like force on impacting the impurity than a continuous jet is able to apply the same speed.

Die technische Umsetzung muss periodisch ausgeführt werden. Die Periode wird bevorzugt so lang gewählt werden, dass der nachfolgende Aufprall eines Strahlabschnitts allein und unmittelbar auf die Zielfläche bzw. die dort vorhandene Verunreinigung trifft, nicht hingegen auf das noch ablaufende Wasser des vorherigen Aufpralls. Eine längere Periode erlaubt außerdem eine stärkere Impulssammlung und erhöht somit die Wirksamkeit des einzelnen Stoßes.The technical implementation must be carried out periodically. The period will preferably be chosen so long that the subsequent impact of a beam section hits the target surface or the contamination present there directly and not directly, but not the water of the previous impact that is still running off. A longer period also allows a stronger collection of impulses and thus increases the effectiveness of the single impact.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass ein Aufsammeln eines Strahlimpulses über einer gegebenen Spritzdauer Δt, möglich ist. Um dies zu erreichen, muss eine stetige Zunahme der Strahlgeschwindigkeit erfolgen, damit später aus der Düse abgegebene Fluidelemente die vorher abgegebenen Fluidelemente einholen können.Surprisingly, it has been shown that it is possible to collect a jet pulse over a given spray duration Δt. In order to achieve this, there must be a constant increase in the jet speed, so that fluid elements that are subsequently discharged from the nozzle can catch up with the previously dispensed fluid elements.

Der Zeitpunkt tk und Ort xk, wann und wo dies geschieht, ist schematisch anhand eines Weg-Zeit Diagrammes erkennbar (vgl. Fig. 1). Dargestellt sind Ort-Zeit-Geraden für drei verschiedene Fluidelemente, die zu den Zeitpunkten t0, t1, t2 die Düse verlassen haben. Erkennbar ist, dass sich diese Geraden an einem Punkt schneiden, bei xk zum Zeitpunkt tk. Unter Berücksichtigung der Erkenntnis, dass die Steigung dieser Geraden der Geschwindigkeit der Fluidelemente entspricht, wird deutlich, dass die Geschwindigkeit mit späterer Startzeit zunehmen muss, um einen Schnittpunkt, d. h. eine Vereinigung der Fluidelemente zu gewährleisten. Eine zeitlich veränderliche Geschwindigkeit ist nichts anderes als eine Beschleunigung. Beschleunigungen in der Größenordnung von 300 - 400 m/s2 am Anfang des Spritzvorgangs haben sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Beschleunigung mag sehr hoch erscheinen aber es handelt sich nur einen Momentanwert. Die typischen globalen Beschleunigungen liegen in der Größenordnung 150 m/s2. Ein weiterer Grund für die hohen Werte ist die kleine Zeitskala, die für die Vorgänge zur Verfügung steht. Diese spielen sich in Hundertsteln von Sekunden ab.The time t k and location x k , when and where this happens, can be seen schematically on the basis of a path-time diagram (cf. Fig. 1 ). Place-time lines are shown for three different fluid elements that left the nozzle at times t 0 , t 1 , t 2 . It can be seen that these lines intersect at one point, at x k at time t k . Taking into account the knowledge that the slope of this straight line corresponds to the speed of the fluid elements, it becomes clear that the speed has to increase with a later start time in order to ensure an intersection, ie a union of the fluid elements. A time-varying speed is nothing more than an acceleration. Accelerations of the order of 300-400 m / s 2 at the start of the spraying process have proven to be particularly advantageous. This acceleration may seem very high, but it is only a momentary value. The typical global Accelerations are of the order of 150 m / s 2 . Another reason for the high values is the small time scale that is available for the processes. These take place in hundreds of seconds.

An dieser Stelle wird eine weitere wichtige Regel sichtbar. Die Vereinigung von Fluidelementen darf nicht zu einer Kollision führen. Denn wenn ein sehr schnelles Fluidelement auf ein vorheriges, langsameres Fluidelement treffen würde, hätte dies zur Folge, dass das bis zu diesem Zeitpunkt gesammelte Fluid zerbrochen wird und in Form kleiner Tropfen weiterfliegen würde. Die kleinen Tropfen verlieren Impuls an die umgebende Luft und verteilen sich über ein wesentlich größeres Volumen. Eine allzu große Beschleunigung ist also nicht erwünscht. Die Erfahrung zeigt, dass eine globale Beschleunigung um 200 m/s2 noch sinnvoll ist. Diese globale Beschleunigung a ist definiert als die Differenz der Maximalgeschwindigkeit beim Spritzvorgang minus der Geschwindigkeit am Anfang des Spritzvorgangs, geteilt durch die Zeit der Geschwindigkeitszunahme.At this point, another important rule becomes visible. The union of fluid elements must not lead to a collision. Because if a very fast fluid element met a previous, slower fluid element, this would result in the fluid collected up to this point being broken up and continuing to fly in the form of small drops. The small drops lose momentum to the surrounding air and are distributed over a much larger volume. An excessive acceleration is therefore not desirable. Experience shows that a global acceleration of 200 m / s 2 still makes sense. This global acceleration a is defined as the difference between the maximum speed during the spraying process minus the speed at the start of the spraying process, divided by the time of the speed increase.

Es hat sich mithin als bedeutsam herausgestellt, dass ein Aufbrechen des zuvor gesammelten Fluids verhindert werden muss. Zum einen hält die Oberflächenspannung σ eine Flüssigkeit zusammen, d. h. es gibt eine kritische Weberzahl, das Verhältnis von Trägheitskraft zur Oberflächenkraft, von der an eine Vereinigung der Fluidelemente nicht mehr möglich ist und es zum Auseinanderbrechen und Zerbersten des angesammelten Fluids kommt. Da es bisher keine wissenschaftlichen Erkenntnisse gibt, um diese Frage bei Strahlen (Fluidelementen) zu beantworten, können die Ergebnisse bei einem sehr ähnlichen, aber umgekehrten Phänomen herangezogen werden. Bei der Kollision von Tropfen des Durchmessers d mit einer Relativgeschwindigkeit urel liegt nach Nobari und Tryggvason die kritische Weberzahl bei 24 für eine Vereinigung der Tropfen. We = ρ u rel 2 d / σ

Figure imgb0006
It has therefore proven to be important that the previously collected fluid must be prevented from being broken up. On the one hand, the surface tension σ holds a liquid together, ie there is a critical Weber number, the ratio of inertial force to surface force, from which it is no longer possible to unite the fluid elements and the accumulated fluid breaks apart and bursts. Since there is currently no scientific knowledge to answer this question for jets (fluid elements), the results can be used for a very similar but reverse phenomenon. In the collision of drops of diameter d with a relative speed u rel , according to Nobari and Tryggvason, the critical Weber number is 24 for a union of the drops. We = ρ u rel 2nd d / σ
Figure imgb0006

(Dichte ρ und Oberflächenspannung σ des Fluids). Die Weber-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl der Strömungsmechanik. Sie beschreibt das Verhältnis von Trägheitskraft zur stabilisierenden Oberflächenkraft bei Zweiphasenströmungen, zum Beispiel eines Wassertropfens in Luft.(Density ρ and surface tension σ of the fluid). The Weber number is a dimensionless number in fluid mechanics. It describes the ratio of inertial force to the stabilizing surface force in two-phase flows, for example a drop of water in air.

Wenn die kritische Weberzahl We überschritten wird, so findet nur für eine kurze Zeit eine Vereinigung (coalescence) der Tropfen statt. Die vereinigte Flüssigkeit zerfällt im weiteren Verlauf in kleinere Fragmente. Der Grund hierfür liegt in der zu großen kinetischen Energie der Kollision. Bei Kollisionsenergien, die kleiner sind als die kritische Weberzahl, ermöglicht die Oberflächenspannung als Rückstellkraft mit der Trägkeitskraft Tropfenschwingungen als Ergebnis des Zusammenpralls.If the critical weaver number We is exceeded, the drops are only coalesced for a short time. The combined liquid disintegrates into smaller fragments. The reason for this is the excessive kinetic energy of the collision. With collision energies that are smaller than the critical Weber number, the surface tension as a restoring force with the inertial force enables drop vibrations as a result of the collision.

Fig. 2 zeigt die Trennlinie zwischen dauerndem Zusammenhalt (permanent coalescence) und nur temporärem Zusammenhalt zwischen kollidierenden Tropfen gleicher Größe, aus M. R. Nobari and Y.-J. Jan G. Tryggvason, Head-on collision of drops-A numerical investigation, Physics of Fluids 8(1), pp. 29-42, 1996 . Fig. 2 shows the dividing line between permanent coalescence and only temporary cohesion between colliding drops of the same size MR Nobari and Y.-J. Jan G. Tryggvason, Head-on collision of drops-A numerical investigation, Physics of Fluids 8 (1), pp. 29-42, 1996 .

Fig. 3 zeigt Ergebnisse zur Trennlinie zwischen Separation und Zusammenhalt zwischen kollidierenden Tropfen gleicher Größe, nach M.D. Saroka, N. Ashgriz and M. Movassat, Numerical Investigation of Head-on Binary Drop Collisions in a Dynamically Inert Environment, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 5, No. 1, pp. 23-37, 2012 . Fig. 3 shows results on the dividing line between separation and cohesion between colliding drops of the same size MD Saroka, N. Ashgriz and M. Movassat, Numerical Investigation of Head-on Binary Drop Collisions in a Dynamically Inert Environment, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 5, No. 1, pp. 23-37, 2012 .

Im Laufe der Zeit wird auf Grund der Zähigkeit die überschüssige Energie der Vereinigung dissipiert bzw. vernichtet, die Schwingungen klingen ab. Weiterhin führt die Zähigkeit dazu, dass bei kleiner Reynoldszahl es stets zu einem Zusammenfinden der Fluidelemente kommt. Wird die maximale Relativgeschwindigkeit errechnet, die zwischen Fluidelementen, den Tropfen, auftreten kann, ehe es zum Strahlaufbruch kommt, so wird bei Wasser der Einfluss der Weberzahl überwiegen. Denn bei einem Strahl mit 1 mm Durchmesser wäre die maximal Relativgeschwindigkeit ca. 0,8 m/s auf Grund der Reynoldszahl < 800, d. h. durch Dissipation der Wechselwirkungsenergie. Wogegen nach der Bedingung von Saroka Ashgriz We < 34, d. h. Effekt der Oberflächenspannung bei einem Wasserstrahl mit 1 mm Durchmesser eine maximale Relativgeschwindigkeit Δv von ca. 1,6 m/s ergeben würde. Diese Zahlen basieren aber auf Ergebnissen für den Zusammenprall von Tropfen. Werden die Ergebnisse für Messungen an Schützenfischen [ P. Gerullis and St. Schuster, Archerfish Actively Control the Hydrodynamics of Their Jets, Current Biology 24, pp. 2156-2160, 2014 ] für die Geschwindigkeit der Strahlspitze betrachtet, vtip: v tip = v max Δ v exp t / τ

Figure imgb0007
so liegt hier der Wert für die Relativgeschwindigkeit um einen Faktor 1,7 bis 2,7 höher (2,7 - 3,8 m/s). Die angegeben exponentielle Funktion stellt ein Beispiel dar, weitere Funktionen kommen in Betracht (z. B. quadratische). Es kommt grundsätzlich jede monoton fallende Funktion in Betracht, so dass die allgemeine Formel v tip = v max Δ v f t
Figure imgb0008
lautet.Over time, the excess energy of the union is dissipated or destroyed due to the toughness, the vibrations subside. Furthermore, the toughness means that the fluid elements always come together when the Reynolds number is small. If the maximum relative speed that can occur between fluid elements, the drops, before the jet breaks open, the influence of the Weber number will predominate for water. For a beam with a diameter of 1 mm, the maximum relative speed would be approx. 0.8 m / s due to the Reynolds number <800, ie through dissipation of the interaction energy. On the other hand, according to the condition of Saroka Ashgriz We <34, ie the effect of surface tension with a water jet with a diameter of 1 mm, a maximum relative speed Δv of approx. 1.6 m / s would result. However, these numbers are based on drop impact results. Are the results for measurements on Sagittarius [ P. Gerullis and St. Schuster, Archerfish Actively Control the Hydrodynamics of Their Jets, Current Biology 24, pp. 2156-2160, 2014 ] considered for the speed of the beam tip , v tip : v tip = v Max - Δ v exp - t / τ
Figure imgb0007
the value for the relative speed is higher by a factor of 1.7 to 2.7 (2.7 - 3.8 m / s). The specified exponential function is an example, other functions are possible (e.g. quadratic). Basically, every monotonically falling function comes into consideration, so the general formula v tip = v Max - Δ v f t
Figure imgb0008
reads.

Die typische Zeitskala τ, in der die Vereinigungsvorgänge erfolgen, liegt bei nach dem Vorbild des Schützenfischs im Bereich von 6 bis 20 ms und die maximale Geschwindigkeit vmax bei ca. 20 - 25 m/s. Die maximale Relativgeschwindigkeit Δv beträgt 3 m/s, weil von dieser Relativgeschwindigkeit an die Zerstäubung der angesammelten Flüssigkeit einsetzt. Diese beiden Werte liefern eine relative Geschwindigkeitsmodulation ε nach der Formel ε = Δ v / v max

Figure imgb0009
wobei die relative Geschwindigkeitsmodulation ε bei maximal 0,66 liegt. Dies entspricht in etwa einer Verdoppelung der Anfangsgeschwindigkeit.The typical time scale τ, in which the union processes take place, is based on the model of the Sagittarius in the range of 6 to 20 ms and the maximum speed v max is approx. 20 - 25 m / s. The maximum relative speed Δv is 3 m / s, because from this relative speed the atomization of the accumulated liquid begins. These two values provide a relative speed modulation ε according to the formula ε = Δ v / v Max
Figure imgb0009
where the relative speed modulation ε is at most 0.66. This roughly corresponds to a doubling of the initial speed.

Basierend auf diesen Überlegungen konnte eine Abschätzung der Parameterbereiche für eine Reinigung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erfolgen. Je nach Entfernung zwischen der Düse und der zu reinigenden Fläche, der Zielfläche, liegt die Dauer der Einspritzung zwischen wenigen Millisekunden und einigen Zehntelsekunden. Die Geschwindigkeitszunahme erfolgt in dieser Zeit mit einem Faktor bis zu 3 - 4. Die maximale Geschwindigkeit der Flüssigkeit kann bis zu 20 m/s erreichen, jedoch muss damit gerechnet werden, dass in diesem Falle oder bei Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit nicht ein einziges zusammenhängendes Flüssigkeitsvolumen das Ziel trifft und stattdessen mehrere Tropfen in einem kleinen engen Raumbereich innerhalb kurzer Zeit die zu reinigende Fläche treffen. Es wurde jedoch festgestellt, dass eine ähnliche Wirkung erzielt wird wie mit einem einzigen Tropfen. Entscheidend für das Wirkprinzip ist die Konzentration der Flüssigkeit auf ein kleines Volumen und deshalb auch für eine kurzzeitige, d. h. impulsartige Kraftwirkung auf das Ziel.Based on these considerations, it was possible to estimate the parameter ranges for cleaning according to the principle according to the invention. Depending on the distance between the nozzle and the surface to be cleaned, the target surface, the duration of the injection is between a few milliseconds and a few tenths of a second. The speed increases during this time by a factor of up to 3-4. The maximum speed of the liquid can reach up to 20 m / s, but it must be expected that in this case or if the maximum speed is exceeded, not a single continuous liquid volume hits the target and instead hits several drops in a small, narrow area within a short time on the surface to be cleaned. However, it has been found that an effect similar to that obtained with a single drop is achieved. Decisive for the principle of action is the concentration of the liquid on a small volume and therefore also for a short-term, ie impulsive force effect on the target.

Es gibt eine weitere Begrenzung der Fluidgeschwindigkeit, nämlich die aerodynamische Weberzahl für Tropfenaufbruch: We aero = ρ gas u relg 2 d / σ ,

Figure imgb0010
There is a further limitation of the fluid velocity, namely the aerodynamic weaver number for drop opening: We aero = ρ gas u relg 2nd d / σ ,
Figure imgb0010

Hier spielen die aerodynamischen Kräfte auf die Flüssigkeit eine Rolle. Der wesentliche Unterschied zur normalen Weberzahl ist, dass hier die Dichte des umgebenden Gases und die Relativgeschwindigkeit zum Gas wirksam werden. Mit zunehmender Relativgeschwindigkeit zum Gas verliert der Tropfen seine Kugelform und wird abgeplattet. Ab einer aerodynamischen Weberzahl von ca. 20 entsteht eine abgeflachte Tasche, die aufgebläht wird und aufbricht. Eine Abschätzung dieser Relativgeschwindigkeit für Wassertropfen in Luft liefert einen Wert von 35 m/s für Tropfen von 1 mm in Durchmesser, für Tropfen mit 5 mm liegt der Wert bei 16 m/s. Dies bedeutet, dass Wasserstrahlen mit zunehmender Geschwindigkeit auch von der Luft destabilisiert werden. Mit zunehmender Entfernung zwischen Düse und Ziel wird dieser Effekt wirksam. Deshalb zeigte es sich, dass die Strahlen Geschwindigkeiten von ca. 25 m/s nicht überschreiten sollten. Dies entspräche einem treibenden verlustfreien Differenzdruck von ca. 3 bar.The aerodynamic forces on the liquid play a role here. The main difference to the normal Weber number is that the density of the surrounding gas and the relative velocity to the gas are effective here. With increasing relative speed to the gas, the drop loses its spherical shape and is flattened. From an aerodynamic weaver number of approx. 20, a flattened pocket is created, which inflates and breaks open. An estimate of this relative speed for water drops in air gives a value of 35 m / s for drops of 1 mm in diameter, for drops with 5 mm the value is 16 m / s. This means that water jets are also destabilized by the air with increasing speed. As the distance between the nozzle and the target increases, this effect becomes effective. It was therefore shown that the beams should not exceed speeds of approx. 25 m / s. This would correspond to a driving loss-free differential pressure of approx. 3 bar.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Flüssigkeitsstrahl mittels einer Kolbenpumpe erzeugt wird und die stetige Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse durch eine zumindest zeitabhängige Steuerung der Kolbenpumpe und der Kolbenbewegung hervorgerufen wird. Alternativ hierzu oder als ergänzende Maßnahme wird die stetige Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse durch eine entsprechende Steuerung eines Düsenquerschnitts und/ oder einer Düsenöffnung hervorgerufen.It has proven to be advantageous if the liquid jet is generated by means of a piston pump and the steady increase in the jet speed when it emerges from the nozzle is brought about by at least time-dependent control of the piston pump and the piston movement. As an alternative to this or as a supplementary measure, the steady increase in the jet speed when exiting the nozzle is brought about by appropriate control of a nozzle cross section and / or a nozzle opening.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, dass mit einer sehr harten Pulsation durch einen "Wasserklumpen" der gesammelte Impuls erreicht werden kann. Damit werden bis zu 60-fach größere Kraftspitzen auf den zu reinigenden Oberflächen gegenüber konventionellen Spritzdüsen erzeugt und damit Einsparpotentiale von 50 % an Reinigungszeit und Reinigungsmittelverbrauch je nach Verschmutzungscharakteristik erwartet. Die Kraftverstärkung liegt auch weit über denen herkömmliche pulsierender Flüssigkeitsstrahlen. Dies wird durch die spezielle Modulation der Spritzstrahlen erreicht.The particular advantages of the method according to the invention are that the collected impulse can be achieved with a very hard pulsation through a "lump of water". This generates up to 60 times greater force peaks on the surfaces to be cleaned compared to conventional spray nozzles and thus potential savings of 50% in cleaning time and cleaning agent consumption depending on the contamination characteristics. The power amplification is also far above that of conventional pulsating liquid jets. This is achieved through the special modulation of the spray jets.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Sammlung von Strahlimpuls während der Phase der Strahlbildung und -ausbreitung. Bei der anschließenden kurzen Wechselwirkung des Strahls mit der Zielfläche, z. B. einem Substrat oder einer Verschmutzung, entstehen signifikant höhere Kräfte, welche beim Strahlaufprall für die Reinigung zur Verfügung stehen und die Verschmutzung wesentlich stärker schädigen. Der Ansatz unterscheidet sich somit grundsätzlich von bisher bekannten Wirkprinzipien pulsierender Strahlen. Dieser Unterschied lässt sich gut mit dem Vergleich von Schlagbohrmaschine und Bohrhammer erklären: bei beiden werden pulsartige Stöße auf das Werkstück ausgeübt. Dabei wird der Schlagbolzen beim Bohrhammer jedoch über eine wesentlich längere Zeit beschleunigt, bevor er den Meißel trifft. Dies bedeutet, dass entsprechend mehr Impuls im Schlagbolzen gesammelt wird, wodurch der Bohrhammer wesentlich größere Kraftspitzen erzielt - vergleichbar zu dem erfindungsgemäßen modifizierten Flüssigkeitsstrahl. Dem hingegen zeigen die bisher forschungsseitig bekannten, pulsierenden Strahlen eng aufeinanderfolgende Unterbrechungen des Strahls - vergleichbar mit der weniger effektiven Schlagbohrmaschine.The method according to the invention enables the collection of beam impulses during the phase of the beam formation and propagation. In the subsequent short interaction of the beam with the target surface, e.g. B. a substrate or pollution, significantly higher forces arise, which are available for cleaning in the jet impact and damage the pollution much more. The approach thus differs fundamentally from previously known active principles of pulsating rays. This difference can be easily explained by comparing the hammer drill and hammer drill: in both, pulse-like impacts are exerted on the workpiece. However, the firing pin on the rotary hammer is accelerated for a considerably longer time before it hits the chisel. This means that correspondingly more momentum is collected in the firing pin, as a result of which the hammer drill achieves significantly greater force peaks - comparable to the modified liquid jet according to the invention. On the other hand, the pulsating jets known to date in research show closely intermittent interruptions in the jet - comparable to the less effective impact drill.

Ein weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von Abschnitten eines Flüssigkeitsstrahls, wobei ein einzelner Strahlabschnitt des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls vor dem Auftreffen auf einer Zielfläche eine in Bewegungsrichtung geringere Länge hat als nach dem Austritt aus einer Düse. Die Vorrichtung umfasst die Düse und eine mit der Düse fluidtechnisch verbundene Einrichtung zur Druckerzeugung in der Flüssigkeit. Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung zur Druckerzeugung einer Flüssigkeit eine gesteuerte Kolbenpumpe, ausgeführt zur zumindest zeitabhängigen Ansteuerung einer Kolbenbewegung, umfasst und / oder die Düse einen steuerbaren Düsenquerschnitt oder eine steuerbare Düsenöffnung aufweist, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die dazu konfiguriert ist, die Kolbenbewegung und / oder den Düsenquerschnitt oder die Düsenöffnung derart zu steuern, dass die Modifikation durch unterschiedliche Geschwindigkeiten innerhalb des einzelnen Strahlabschnitts des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls in der Weise hervorgerufen wird, dass infolge einer stetigen Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse ein in Bewegungsrichtung hinterer Strahlbereich einen vorderen Strahlbereich des Strahlabschnitts einholt, indem der einzelne Strahlabschnitt mit zunehmender Geschwindigkeit aus der Düse austritt, je später er aus der Düse austritt, und wobei ein Aufbrechen der zuvor zu dem Strahlabschnitt vereinigten Flüssigkeit verhindert wird, indem ein kritisches Verhältnis von Trägheitskraft zu Oberflächenkraft nicht überschritten wird.Another aspect relates to a device for generating a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single jet section of the discontinuous, modified liquid jet has a shorter length in the direction of movement before hitting a target surface than after exiting from a nozzle. The device comprises the nozzle and a device for generating pressure in the liquid that is fluidly connected to the nozzle. According to the invention, it is provided that the device for generating pressure of a liquid comprises a controlled piston pump, designed for at least time-dependent control of a piston movement, and / or the nozzle has a controllable nozzle cross-section or a controllable nozzle opening, a controller being configured to do so is to control the piston movement and / or the nozzle cross-section or the nozzle opening in such a way that the modification is caused by different speeds within the individual jet section of the discontinuous, modified liquid jet in such a way that as a result of a steady increase in the jet speed as it emerges from the nozzle in the direction of movement of the rear jet area, catches up with a front jet area of the jet section, in that the individual jet section emerges from the nozzle with increasing speed, the later it emerges from the nozzle, and a widening The liquid previously combined to form the jet section is prevented by not exceeding a critical ratio of inertial force to surface force.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn eine manuelle oder roboterbasierte Reinigung mittels der Düse erfolgt, deren Ausrichtung veränderbar ist, so dass sich die Strahlrichtung einstellen lässt. Eine hierzu geeignete Vorrichtung kann z. B. als eine Düsenlanze ausgeführt sein.It has also proven to be advantageous if manual or robot-based cleaning is carried out by means of the nozzle, the orientation of which can be changed so that the beam direction can be adjusted. A suitable device can z. B. be designed as a nozzle lance.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Reinigungsvorrichtung. Dabei ist eine Verwendung zur Spritzreinigung industrieller Bauteile vorgesehen. Ebenso ist es vorgesehen, den modifizierten Flüssigkeitsstrahl als Reinigungsstrahl für eine Behälterreinigung oder Tankreinigung mit einem Zielstrahlreiniger einzusetzen. Auch eine Spritzreinigung offener Oberflächen industrieller Geräte und Anlagen oder von Oberflächen von Industriefußböden, Geh- und Fahrwegen, Terrassenböden oder Fassaden ist vorgesehen. Neben den Anwendungen zur Reinigung sind auch eine Oberflächenbearbeitung oder ein Schneidvorgang vorgesehen. Ebenso sind Anwendungen in den Bereichen Steinbearbeitung, wie Tunnel-, Bergbau, Feuerlöschtechnik oder Polizeitechnik vorgesehen.Another aspect of the present invention relates to the use of the device according to the invention as a cleaning device. It is intended to be used for spray cleaning industrial components. It is also provided that Modified liquid jet can be used as a cleaning jet for container cleaning or tank cleaning with a jet cleaner. Spray cleaning of open surfaces of industrial devices and systems or of surfaces of industrial floors, walkways and driveways, terrace floors or facades is also provided. In addition to cleaning applications, surface processing or cutting are also planned. Applications in the areas of stone processing, such as tunneling, mining, fire extinguishing technology or police technology, are also envisaged.

Das erfindungsgemäße Verfahren verspricht eine bisher unerreichte mechanische Reinigungswirkung auch bei großen Düsenabständen und niedrigem Betriebsdruck. Die Reinigung der Objekte erfolgt schonend, denn die hohen Kraftspitzen wirken nur über eine kurze Zeit, im Gegensatz zur Reinigung mit einem Strahl unter hohem Druck, bei der dauerhaft hohe Kräfte wirken. Zusätzlich werden gegenüber bekannten Systemen Ressourcen wie Zeit, Wasser, chemische Zusätze und Energie in hohem Maße gespart.The method according to the invention promises an unprecedented mechanical cleaning effect even with large nozzle distances and low operating pressure. The objects are cleaned gently, because the high force peaks only work for a short time, in contrast to cleaning with a jet under high pressure, in which permanently high forces act. In addition, resources such as time, water, chemical additives and energy are saved to a great extent compared to known systems.

Der Bedarf an relevanten Spritzreinigungsanlagen im Bereich der industriellen Teilereinigung ist enorm, müssen doch fast alle Bauteile vor jedem weiteren Bearbeitungsschritt oder bei Endauslieferung gemäß den prozessbedingten Sauberkeitsanforderungen gereinigt werden. Die nasschemischen Verfahren nehmen dabei einen Marktanteil von 60 % ein, wobei hier wiederum die Spritzreinigung bei mehr als der Hälfte der Unternehmen Verwendung findet. Die Verkürzung von Taktzeiten ist bei Einhaltung der geforderten Bauteilsauberkeit direkt mit einer höheren Ausbringung und somit der Steigerung der Produktivität einer Anlage bzw. einer ganzen Fertigungslinie verbunden. Eine große Zahl von Unternehmen überwachen die Durchlaufzeiten als Optimierungskriterium. Des Weiteren beziffern viele Unternehmen den Anteil der Reinigungskosten auf durchschnittlich ca. 10 % am Gesamtherstellungsprozess von Bauteilen, wodurch das große Einsparpotenzial im Bereich Reinigung sichtbar wird.The need for relevant spray cleaning systems in the area of industrial parts cleaning is enormous, since almost all components must be cleaned before each further processing step or upon final delivery in accordance with the process-related cleanliness requirements. Wet chemical processes have a market share of 60%, with spray cleaning being used by more than half of the companies. The reduction of cycle times is directly associated with a higher output and thus the increase in the productivity of a system or an entire production line if the required component cleanliness is observed. A large number of companies monitor throughput times as an optimization criterion. Furthermore, many companies estimate the share of cleaning costs on average to be about 10% of the overall manufacturing process of components, which shows the great savings potential in the cleaning area.

Die Prozesse beider industrieller Anwendungen können in der Regel der Massenfertigung zugeordnet werden, wodurch die Verkürzung von Taktzeiten bei der Teilereinigung bzw. Stillstandszeiten bei der Reinigung von Verarbeitungsanlagen insbesondere in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie direkt mit der höheren Ausbringung und somit Steigerung der Produktivität einer Anlage verbunden ist. Damit wird zugleich die angestrebte Entkoppelung des Wirtschaftswachstums vom Ressourcenverbrauch, die von wesentlicher Bedeutung für die Zukunftsfähigkeit ganzer Volkswirtschaften sein wird, unterstützt.The processes of both industrial applications can usually be assigned to mass production, which means that the reduction in cycle times for parts cleaning or downtimes in the cleaning of processing plants, particularly in the food and pharmaceutical industries, is directly linked to the higher output and thus increased productivity of a plant is. In order to the desired decoupling of economic growth from resource consumption, which will be essential for the future viability of entire economies, is also supported.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erarbeiteten Aussagen zur Wirkweise und industriellen Anwendbarkeit dieser Technologie stellen eine Neuerung auf technischem Gebiet dar, woraus sich zugleich die gewerbliche Anwendbarkeit ergibt. Die gesellschaftliche Relevanz dieser Innovation liegt vornehmlich im Beitrag zur Ressourcenschonung (Reduzierung von Zeit, Wasser, chemische Zusätze und Energie), der Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit sowie der Erhöhung der Verbrauchersicherheit durch gründlicher gereinigte Lebensmittelanlagen.The statements made in the context of the present invention on the mode of action and industrial applicability of this technology represent an innovation in the technical field, which also results in commercial applicability. The social relevance of this innovation lies primarily in the contribution to resource conservation (reduction of time, water, chemical additives and energy), the improvement of competitiveness and the increase of consumer safety through thoroughly cleaned food plants.

Folgende Figuren sind bereits in der vorstehenden Beschreibung erwähnt worden. Sie zeigen Diagramme.

  • Fig. 1: Weg-Zeit-Diagramm, das beispielhaft drei diskrete Abschnitte des bis zum Zeitpunkt tk und zum Ort xk strömenden Strahlabschnitts zeigt;
  • Fig. 2: die Trennlinie zwischen dauerndem Zusammenhalt (permanent coalescence) und nur temporärem Zusammenhalt zwischen kollidierenden Tropfen gleicher Größe; und
  • Fig. 3: Ergebnisse zur Trennlinie zwischen dauerndem Zusammenhalt (permanent coalescence) und nur temporärem Zusammenhalt zwischen kollidierenden Tropfen gleicher Größe.
The following figures have already been mentioned in the above description. They show diagrams.
  • Fig. 1 : Path-time diagram showing an example of three discrete sections of the beam section flowing up to time t k and location x k ;
  • Fig. 2 : the dividing line between permanent coalescence and only temporary cohesion between colliding drops of the same size; and
  • Fig. 3 : Results on the dividing line between permanent coalescence and only temporary cohesion between colliding drops of the same size.

Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in der zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

  • Fig. 11: schematisch eine Darstellung von Düse und Zielfläche sowie den dazwischen ausgebildeten Strahlabschnitten;
  • Fig. 12 bis 14: Düsen nach dem Stand der Technik;
  • Fig. 15: schematisch eine Darstellung der Austrittsgeschwindigkeit des Strahls mit Bildung von Wasserklumpen; und
  • Fig. 16: schematisch eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von Strahlabschnitten eines diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls.
The invention is explained in more detail below on the basis of the description of exemplary embodiments and their representation in the associated drawings. Show it:
  • Fig. 11 : schematic representation of the nozzle and target surface and the jet sections formed between them;
  • 12 to 14 : Nozzles according to the prior art;
  • Fig. 15 : schematic representation of the exit velocity of the jet with formation of water lumps; and
  • Fig. 16 : schematic representation of a device according to the invention for generating a sequence of jet sections of a discontinuous, modified liquid jet.

Fig. 11 zeigt schematisch eine Darstellung von Düse und Zielfläche sowie den dazwischen ausgebildeten Strahlabschnitten, wie sie durch eine Pulsation gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Dies geht bei der hier dargestellten Verwendung für einen Reinigungsstrahl mit einer erheblichen Eskalation der Reinigungswirkung einher. Dabei wird über die gesamte Strahllänge der Impuls gesammelt und in einem sehr kurzen Stoß mit enormer Kraft direkt auf der zu reinigenden Oberfläche entladen. Fig. 11 shows schematically a representation of the nozzle and target surface and the jet sections formed between them, as generated by a pulsation according to the present invention. In the use shown here for a cleaning jet, this goes hand in hand with a considerable escalation of the cleaning action. The pulse is collected over the entire beam length and discharged in a very short burst with enormous force directly on the surface to be cleaned.

Zusätzlich steigen infolge der sehr kurzen, impulssammelnden Stöße die Spritzpausen auf der Oberfläche gegenüber der herkömmlichen Pulsation (vgl. Fig. 4), wodurch der dämpfende Flüssigkeitsfilm vollständig ablaufen kann und die Strahlkraft direkt auf die Verschmutzung auf der Zielfläche wirkt. Durch die genannten Effekte wird die Verschmutzung um ein Vielfaches stärker und in nachhaltiger Weise zerstört, wodurch die Reinigungs- bzw. Taktzeiten sinken oder die Reinigungsmittelkonzentration und -temperatur bei gleichem Reinigungsergebnis verringert werden können.In addition, due to the very short, pulse-collecting shocks, the spray pauses on the surface increase compared to conventional pulsation (see FIG. 4), as a result of which the damping liquid film can run off completely and the jet force acts directly on the contamination on the target surface. Due to the effects mentioned, the pollution is destroyed many times more and in a sustainable manner, whereby the cleaning or cycle times decrease or the cleaning agent concentration and temperature can be reduced with the same cleaning result.

Ein Diagramm 30 zeigt den Druckverlauf über der Zeit. Der Stoßdruck pstoß beträgt ein Vielfaches des Staudrucks pstau. Bei den Figuren 11 bis 14 ist jeweils der zeitliche Verlauf des durch den Spritzstrahl auf der zu reinigenden Oberfläche aufgebrachten Strahldrucks abgebildet, welcher integriert über den Strahlquerschnitt dem Kraftverlauf entspricht.A diagram 30 shows the pressure curve over time. The impact pressure p impact is a multiple of the dynamic pressure p dynamic . Both Figures 11 to 14 the time course of the jet pressure applied to the surface to be cleaned by the spray jet is shown, which, when integrated, corresponds to the force course over the jet cross section.

Fig. 12 zeigt schematisch eine Darstellung eines herkömmlichen kontinuierlichen Reinigungsstrahls ohne Pulsation nach dem Stand der Technik, einschließlich eines Diagramms 31, das den stetig gleichen Staudruck pstau erkennen lässt. Beim kontinuierlichen Betrieb stellt sich nach dem Einschalten der Düse ein konstanter Staudruck ein. Fig. 12 shows schematically a representation of a conventional continuous cleaning jet without pulsation according to the prior art, including a diagram 31, which shows the constant back pressure p jam . In continuous operation, a constant dynamic pressure is established after the nozzle is switched on.

Fig. 13 zeigt schematisch eine Darstellung eines herkömmlichen Reinigungsstrahls mit Strahlunterbrechern nach dem Stand der Technik, einschließlich eines erklärenden Diagramms 32, das übereinstimmende Höhen von Staudruck pstau und Stoßdruck pstoß zeigt. Bis auf die Unterbrechungen des Druckverlaufs stellt sich bei Düsen mit Strahlunterbrechern ein ähnlicher Strahldruckverlauf zum kontinuierlichen Fall ein. Fig. 13 Figure 3 shows schematically a representation of a conventional cleaning jet with jet interrupters according to the prior art, including an explanatory diagram 32, which shows matching levels of dynamic pressure p dynamic and surge pressure p dynamic . Except for the interruptions in the pressure curve, a similar jet pressure curve occurs with nozzles with jet interrupters to the continuous case.

Reinigungsvorteile sind hierbei durch zwei Effekte zu erwarten. Zum einen wird die Verschmutzung stärker beeinträchtigt, wenn infolge der Strahlunterbrechungen sich der den Spritzstrahl dämpfende Flüssigkeitsfilm nicht vollständig auf der zu reinigenden Oberfläche ausbilden kann. Zum anderen wird im Allgemeinen die Reinigungsflüssigkeit das Bauteil wesentlich turbulenter umströmen. Da die Strahlunterbrechung aber auch mit einem Impulsverlust auf der Oberfläche über der Zeit verbunden ist, kann damit gerechnet werden, dass keine signifikant verbesserte Reinigungswirkung entsteht.Cleaning benefits can be expected from two effects. On the one hand, the contamination is more severely impaired if, due to the jet interruptions, the liquid film which dampens the spray jet does not completely clean the one to be cleaned Can form surface. On the other hand, the cleaning fluid will generally flow around the component in a much more turbulent manner. Since the beam interruption is also associated with a loss of momentum on the surface over time, it can be expected that there will be no significantly improved cleaning effect.

Fig. 14 zeigt schematisch eine Darstellung einer Düse im pulsierenden Betrieb nach dem Stand der Technik, einschließlich eines erklärenden Diagramms 33 zum Verhältnis der Höhen des Staudrucks pstau und des Stoßdrucks pstoß. Dabei wird beim Einschalten der Düse im pulsierenden Betrieb, z. B. realisiert durch Ventilschaltungen, kein konstanter, dem Staudruck entsprechender Strahldruck auf der Oberfläche erreicht. Vielmehr treffen in kurzer Abfolge Stoßwellen auf die Oberfläche, welche in ihrer Folge höhere Druckspitzen gegenüber dem Staudruck erzeugen. Zusätzlich treten nur die positiven der bei den Strahlunterbrechern (vgl. Fig. 3) vorhandenen Nebeneffekte des sich nicht voll ausbildenden dämpfenden Flüssigkeitsfilms mit hoher Turbulenz auf, da im dargestellten Fall kein Impulsverlust über der Zeit auftritt. Fig. 14 shows schematically a representation of a nozzle in pulsating operation according to the prior art, including an explanatory diagram 33 on the ratio of the levels of the dynamic pressure p jam and the shock pressure p jerk . Here, when switching on the nozzle in pulsating operation, for. B. realized by valve circuits, no constant, the back pressure corresponding jet pressure reached on the surface. Rather, shock waves hit the surface in a short succession, which in turn generate higher pressure peaks than the dynamic pressure. In addition, only the positive ones of the beam interrupters (cf. Fig. 3 ) existing side effects of the not fully developing damping liquid film with high turbulence, since in the case shown there is no loss of momentum over time.

Fig. 15 zeigt, wie die Austrittsgeschwindigkeit des Strahls stetig zunehmen muss, um eine abrupte Flüssigkeitsansammlung an der Spitze des Strahls zu erreichen. Dies konnte bei der dargestellten Ausführungsform mit einem Linearmotor erreicht werden. Die Ansammlung wurde durch einen Shaker erreicht, mit dem ein poröser Kolben mit 60 Hz angetrieben wurde. Die relative Anregungsamplitude beträgt in den Abbildungen a) bis g) (von links nach rechts) 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6. Die Düse (Düsendurchmesser 3,2 mm, Grundgeschwindigkeit u = 4,29 m/s) ist im oberen Bildbereich jeder Abbildung angedeutet. Die Abbildungen zeigen die Bildung von Wasserklumpen und den Strahl, der zwischen diesen Klumpen deutlich dünner ist. Dies wird an der Dicke d und Länge L des Strahls zwischen den Ansammlungen deutlich (ds = 1 mm; L = 71,5 mm; rechts). In einer weiteren Ausführungsform soll die Modulation so weit getrieben werden, dass der Strahl komplett abreißt und sich einzelne, kurz nacheinander auftreffende Wasserklumpen bilden, damit das Wasser bereits abgelaufen ist, ehe ein neuer Wasserklumpen auftrifft. Dadurch wird stets unmittelbar die Oberfläche, die Zielfläche, getroffen, was die Effektivität weiter verbessert. Fig. 15 shows how the exit velocity of the jet has to increase steadily in order to achieve an abrupt liquid accumulation at the tip of the jet. In the embodiment shown, this could be achieved with a linear motor. The accumulation was achieved by a shaker, which was used to drive a porous piston at 60 Hz. The relative excitation amplitude in figures a) to g) (from left to right) is 0.5; 1; 2; 3; 4; 5; 6. The nozzle (nozzle diameter 3.2 mm, basic speed u = 4.29 m / s) is indicated in the upper part of the figure. The figures show the formation of water lumps and the jet that is significantly thinner between these lumps. This is evident from the thickness d and length L of the beam between the collections (d s = 1 mm; L = 71.5 mm; right). In a further embodiment, the modulation is to be driven so far that the jet breaks off completely and individual clumps of water that strike one after the other are formed, so that the water has already run out before a new clump of water hits. As a result, the surface, the target surface, is always hit directly, which further improves the effectiveness.

Diese Form des Impulssammelns aus der rechten Abbildung g) ist bereits bei 120 mm abgeschlossen. Durch eine Vergrößerung des Abstandes von der Düse können längere Integrationszeiten erreicht werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, mehr Zeit einzuplanen, je weiter entfernt das Ziel ist (bis zu 70 ms bei einem Abstand von 600 mm). Dies entspräche einer Frequenz von 14 Hertz. Die Impulsaufsammlung sowie die resultierende Kraft sind hier noch einmal bis zu einem Vierfachen größer.This form of pulse collection from the right figure g) is already completed at 120 mm. Longer integration times can be achieved by increasing the distance from the nozzle. It has proven beneficial, more Allow time for the further away the target is (up to 70 ms at a distance of 600 mm). This would correspond to a frequency of 14 Hertz. The momentum collection and the resulting force are once again up to four times greater.

An der rechten Abbildung g) wird deutlich, dass die Klumpen auch die Form eines breiten, flachen Zylinders haben können. Diese Form ist möglicherweise für die Reinigung sehr interessant, da eine größere Fläche gleichzeitig abgedeckt wird. In diesem Fall beträgt der Durchmesser des Klumpens etwa das Zehnfache des ungestörten Strahldurchmessers. Da bei Vergrößerung des Durchmessers sich jedoch der auf die verschmutzte Oberfläche aufgebrachte Strahldruck (Impact) reduziert, ist eine für die Reinigung optimale Klumpenform zu ermitteln und zu erzeugen.The illustration on the right shows that the lumps can also have the shape of a wide, flat cylinder. This shape may be very interesting for cleaning because it covers a larger area at the same time. In this case the diameter of the lump is approximately ten times the undisturbed beam diameter. However, since the jet pressure (impact) applied to the soiled surface is reduced when the diameter is increased, an optimal lump shape for cleaning must be determined and generated.

Fig. 16 zeigt schematisch eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Erzeugung einer Folge von Strahlabschnitten eines diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls, der hier nicht dargestellt, aber durch eine entsprechende Stellung einer Düsenlanze 112 mit der Düse 110 auf die Zielfläche 26 ausgerichtet ist. Die Verstellung der Düsenlanze 112 in Pfeilrichtung wird durch einen Schwenkantrieb 114 ermöglicht, der auch ein Gelenk umfasst. Fig. 16 shows schematically an illustration of a device 100 according to the invention for generating a sequence of jet sections of a discontinuous, modified liquid jet, which is not shown here, but is aligned with the target surface 26 by a corresponding position of a nozzle lance 112 with the nozzle 110. The adjustment of the nozzle lance 112 in the direction of the arrow is made possible by a swivel drive 114, which also includes a joint.

Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Kolbenpumpe 116, in der sich ein Kolben 118 bewegt und den Druck der Flüssigkeit, aus der der Flüssigkeitsstrahl erzeugt wird, hervorruft. Der Kolben 118 ist über seine Kolbenstange mit einem Kolbenantrieb 120 verbunden, der in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform als ein Linearanrieb ausgeführt ist.The device 100 further comprises a piston pump 116, in which a piston 118 moves and causes the pressure of the liquid from which the liquid jet is generated. The piston 118 is connected via its piston rod to a piston drive 120, which in the preferred embodiment shown here is designed as a linear drive.

Um den erfindungsgemäß vorgesehenen Druckverlauf zu erreichen, ist eine Steuerung 122 vorgesehen, die den Kolbenantrieb 120 steuert und hierzu mit dem Kolbenantrieb 120 steuerungstechnisch verbunden ist. Eine solche steuerungstechnische Verbindung besteht ebenfalls zu dem Schwenkantrieb 114 und zu einem Dosierventil 126. Das Dosierventil 126 dosiert für jede Periode eine vorgesehene Flüssigkeitsmenge aus einem Flüssigkeitsreservoir 124, um einen modifizierten Flüssigkeitsstrahl mit den gewünschten Eigenschaften erzeugen zu können.In order to achieve the pressure curve provided according to the invention, a controller 122 is provided which controls the piston drive 120 and for this purpose is connected to the piston drive 120 in terms of control technology. There is also such a control connection to the swivel drive 114 and to a metering valve 126. The metering valve 126 doses an intended amount of liquid from a liquid reservoir 124 for each period in order to be able to generate a modified liquid jet with the desired properties.

Anstelle einer einzelnen Düse 110 sehen alternative Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Lösung auch mehrere Austrittsorte an der Düsenlanze 112 vor. Diese weiteren Düsen 110 können zudem einzeln steuerbar ausgestaltet sein, so dass auch ohne Bewegung der Düsenlanze 112 unterschiedliche Orte gleichzeitig oder nacheinander behandelt werden können.Instead of a single nozzle 110, alternative configurations of the proposed solution also provide several exit locations on the nozzle lance 112. These further nozzles 110 can also be configured to be individually controllable, so that too without moving the nozzle lance 112 different locations can be treated simultaneously or in succession.

Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf startet in seiner bevorzugten Ausgestaltung mit der Dosierung der Flüssigkeitsmenge in die Kolbenpumpe 116. Danach wird mittels des Schwenkantriebs 114 die Düse 110 in die gewünschte Ausrichtung gegenüber der Zielfläche 26 gebracht. Danach wird der Kolbenantrieb 120 so gesteuert, dass aus der Düse 110 der modifizierte Flüssigkeitsstrahl mit den gewünschten Eigenschaften austritt und als Klumpen auf die Zielfläche 26 auftrifft.In its preferred embodiment, the process sequence according to the invention starts with the metering of the amount of liquid into the piston pump 116. The nozzle 110 is then brought into the desired orientation relative to the target surface 26 by means of the swivel drive 114. The piston drive 120 is then controlled such that the modified liquid jet with the desired properties emerges from the nozzle 110 and strikes the target surface 26 as a lump.

BezugszeichenlisteReference list

10, 11010, 110
Düsejet
1212th
Strahl (kontinuierlich)Beam (continuous)
1414
Strahl (unterbrochen)Beam (interrupted)
1616
Strahl (herkömmliche Pulsation)Beam (conventional pulsation)
2020
Strahl (Hammerpulsation)Beam (hammer pulsation)
2121st
StrahlabschnittBeam section
2222
WasserklumpenLump of water
2626
ZielflächeTarget area
2828
BewegungsrichtungDirection of movement
30 - 3330-33
DiagrammeDiagrams
4141
Bereich dauernden ZusammenhaltsArea of permanent cohesion
4242
Bereich temporären ZusammenhaltsArea of temporary cohesion
4343
Bereich der SeparationArea of separation
4444
Bereich des ZusammenhaltsArea of cohesion
100100
Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von StrahlabschnittenDevice for generating a sequence of beam sections
112112
DüsenlanzeNozzle lance
114114
SchwenkantriebSwivel drive
116116
KolbenpumpePiston pump
118118
Kolbenpiston
120120
KolbenantriebPiston drive
122122
Steuerungcontrol
124124
FlüssigkeitsreservoirLiquid reservoir
126126
DosierventilDosing valve

Claims (13)

  1. A method for generating a sequence of jet sections (21) of a discontinuous, modified liquid jet (20), wherein an individual jet section (21) of the liquid jet (20) undergoes a modification such that it has a shorter length (Lf) in the direction of movement (28) before impinging on a target surface (26) than after exiting a nozzle (10), characterized in that the modification is caused by different velocities within the individual jet section (21) of the discontinuous, modified liquid jet (20) in such a manner that, as a result of a continuous increase of the jet velocity during exit from the nozzle (10), a jet region at the rear in the direction of movement (28) catches up with a front jet region of the jet section (21) due to the individual jet section (21) exiting the nozzle (10) with increasing velocity the later it exits the nozzle (10), and wherein a break-up of the liquid previously combined to form the jet section (21) is prevented by not exceeding a critical ratio of inertial force to surface force.
  2. The method according to claim 1, wherein n jet regions of a jet section (21) exit the nozzle (10) at the times t0 to tn and impinge at a location xk at a time tk, wherein a velocity of a jet tip vtip is obtained from a time scale τ within which a unification process takes place at the location xk, a maximum velocity vmax, and a relative velocity Δv according to the formula v tip = v max Δ v f t ;
    Figure imgb0014
    wherein
    a relative velocity modulation ε is obtained according to the formula ε = Δ v / v max ;
    Figure imgb0015
    wherein
    a Weber number We is obtained from a density p, a droplet diameter d, a relative velocity urel, and a surface tension σ according to the formula We = ρ u rel 2 d / σ .
    Figure imgb0016
  3. The method according to claim 2, wherein the individual jet section (21) exiting the nozzle (10) with increasing velocity undergoes a global acceleration a, wherein the difference of the maximum velocity during the ejection process minus the velocity at the beginning divided by the time scale τ of the increase in velocity reaches an order of magnitude of up to 300 - 400 m/s2, wherein the typical time scale τ within which the unification processes take place is in the range from 6 to 20 ms, wherein the maximum velocity vmax is 20 m/s, wherein the maximum relative velocity Δv is 3 m/s, and wherein the maximum relative velocity modulation ε is 0.66.
  4. The method according to claim 3, wherein the global acceleration a is around 200 m/s2, wherein the increase in velocity during this time is by a factor of up to 3 - 4, wherein the maximum velocity reaches up to 20 m/s, wherein the individual jet section does not exceed a velocity of about 25 m/s, which corresponds to a driving loss-free differential pressure of about 3 bar.
  5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the sequence of jet sections (21) is generated periodically, wherein the period is long enough for the subsequent jet section (21) to alone and directly impinge on the target surface (26) but not on still draining liquid of the previous jet section (21).
  6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the liquid jet (20) is generated using a piston pump and the continuous increase of the jet velocity during exit from the nozzle (10) is caused by an at least time-dependent control of the piston pump and the piston stroke.
  7. The method according to any of the preceding claims, wherein the continuous increase of the jet velocity during exit from the nozzle (10) is caused by a corresponding control of a nozzle cross-section and/or a nozzle opening.
  8. An apparatus for generating a sequence of sections of a liquid jet (20), comprising a nozzle (10) and a device for generating pressure in the fluid which is in fluid communication with the nozzle (10), wherein an individual jet section (21) of the discontinuous, modified liquid jet (20) has a shorter length (Lf) in the direction of movement (28) before impinging on a target surface (26) than after exiting the nozzle (10), characterized in that the device for generating pressure of a fluid comprises a controlled piston pump designed for at least time-dependent activation of a piston stroke and/or the nozzle (10) has a controllable nozzle cross-section or a controllable nozzle opening, wherein a control (122) is provided which is configured to control the piston stroke and/or the nozzle cross-section or the nozzle opening of the nozzle (10) such that the modification is caused by different velocities within the individual jet section (21) of the discontinuous, modified liquid jet (20) in such a manner that, as a result of a continuous increase of the jet velocity during exit from the nozzle (10), a jet region at the rear in the direction of movement (28) catches up with a front jet region of the jet section (21) due to the individual jet section (21) exiting the nozzle (10) with increasing velocity the later it exits the nozzle (10), and wherein a break-up of the liquid previously combined to form the jet section (21) is prevented by not exceeding a critical ratio of inertial force to surface force.
  9. The apparatus according to claim 8, wherein the nozzle (10) is provided with variable orientation for manual or robot-based cleaning.
  10. Use of the apparatus according to claim 8 or claim 9 as a cleaning apparatus.
  11. Use according to claim 10, wherein a spray cleaning of industrial components is provided.
  12. Use according to claim 10, wherein a container cleaning or tank cleaning with a target jet cleaner or a spray cleaning of open surfaces of industrial devices and installations or of surfaces of industrial floors, pavements and driveways, terrace floors or facades is provided.
  13. Use according to claim 10, wherein a surface treatment or a cutting operation is provided.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3343794A (en) 1965-07-12 1967-09-26 Vyacheslavovich Bogdan Jet nozzle for obtaining high pulse dynamic pressure heads
US3687147A (en) 1970-08-05 1972-08-29 Bowles Fluidics Corp Jet velocity augmentation apparatus
US3647137A (en) 1970-10-20 1972-03-07 Environment One Corp Hydraulic chamber incorporating a jet nozzle
US3700169A (en) 1970-10-20 1972-10-24 Environment One Corp Process and appratus for the production of hydroelectric pulsed liquids jets
US3924805A (en) 1974-10-29 1975-12-09 Scient Associates Inc Method and apparatus for producing and utilizing percussive liquid jets
FR2377536A1 (en) * 1977-01-14 1978-08-11 Inst Gidroproekt Im System generating high shock pressure in liq. - has shouldered piston in compressed air cylinder and extension valve to improve acceleration
US4573637A (en) 1982-12-06 1986-03-04 Dravo Corporation Accelerating slugs of liquid
US4863101A (en) 1982-12-06 1989-09-05 Acb Technology Corporation Accelerating slugs of liquid
DE3700587A1 (en) * 1987-01-10 1988-07-21 Woma Maasberg Co Gmbh W Process for atomising and atomiser of a high-pressure liquid jet emerging from a nozzle
GB2206621B (en) 1987-07-09 1991-07-31 G Sojuzny Z Mekh I Khim Ochist Hydraulic pulse generator
DE4013064A1 (en) * 1990-04-24 1991-10-31 Ficht Gmbh Pressurised air paint spray device - circulates paint around closed loop until required fluid pressure is reached
ATE171886T1 (en) * 1993-07-12 1998-10-15 Promotec Ag METHOD, COMPOSITION AND DEVICE FOR INTERNAL CLEANING AND COATING OF PIPES
US6280302B1 (en) 1999-03-24 2001-08-28 Flow International Corporation Method and apparatus for fluid jet formation
EP2540402A3 (en) 2008-07-16 2017-07-19 VLN Advanced Technologies Inc. Method and apparatus for prepping surfaces with a high-frequency forced pulsed waterjet
KR101232700B1 (en) * 2009-02-12 2013-02-13 토토 가부시키가이샤 Sanitary washing device
CA2774895A1 (en) 2009-10-06 2011-04-14 Sulzer Metco (Us) Inc. Method for preparation of cylinder bore surfaces for thermal spray coating with pulsed waterjet
JP5569778B2 (en) * 2010-02-09 2014-08-13 Toto株式会社 Sanitary washing device
CN103547456B (en) 2011-05-25 2016-04-13 伊斯曼柯达公司 Comprise the liquid injection system of liquid drop speed adjustment
DE102011080852A1 (en) 2011-08-11 2013-02-14 Dürr Ecoclean GmbH Apparatus for generating a pulsating pressurized fluid jet
WO2014018977A1 (en) 2012-07-27 2014-01-30 Tempress Technologies, Inc. Hyper-pressure pulse excavator
US9808822B2 (en) * 2013-03-15 2017-11-07 Mycronic AB Methods and devices for jetting viscous medium on workpieces

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *

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