TWI789228B

TWI789228B - 電解式液氣混合裝置

Info

Publication number: TWI789228B
Application number: TW111103768A
Authority: TW
Inventors: 洪榮洲; 楊博仁
Original assignee: 國立中央大學
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2023-01-01
Also published as: TW202331005A

Abstract

本發明提供一種電解式液氣混合裝置，其係一混氣裝置連通一檢測裝置，該混氣裝置之一電極管件之一端連通一進水歧管之一端，該進水歧管與該電極管件之間設置一角度，一出水管件之一端連通該電極管件之另一端，一中心電極設置於該電極管件之一內側，一第一電源件之一負極電性連接該電極管件，該第一電源件之一正極電性連接該中心電極，一檢測裝置之一透明殼體之一端連通該出水管件之另一端，一發光元件以及一感光元件對應夾設該透明殼體，利用此裝置產生氣泡，並對應調整與流體混合之比例。

Description

電解式液氣混合裝置

本發明是關於一種電解式液氣混合裝置，尤其係利用電解之方式產生氣泡並調整與流體混合比例之裝置。

隨著實演進，各類航空、醫療等零組件朝向精密、微小化的方向發展，如何快速製造出高精度且高品質產品之加工裝置，成為產業界爭相發展之技術方向。

於航空產業中，渦輪發動機因工作溫度高，零件材料多採用鎳基合金，鈦合金等高硬度高強度材料，若使用傳統方法加工，因材料硬度高造成刀具損耗大，零件剛性不足造成加工困難等問題；且渦輪發動機其工作溫度越高、燃燒效率越好，而常見之提高渦輪發動機工作溫度的方法，一是提高材料的工作溫度，二是使用氣膜冷卻技術。

氣膜冷卻技術需於渦輪發動機設置多個氣膜冷卻孔，其中氣膜冷卻孔之數量成千上萬，習知加工方法係使用鑽銑的方式，刀具損耗大、排屑困難。使用雷射加工、放電加工速度雖快，但加工過程中的高溫會產生再鑄層，再鑄層易形成細小裂紋造成材料缺陷而降低零件壽命，一般使用研磨等方法去除再鑄層，增加製造時間，其曠日廢時，因此在高硬度高強度材料上，以高效率高品質的方法加工冷卻孔已成為產業界當務之急，因為改善冷卻孔製造時間即可增加工作效率，其中以電化學加工、放電加工於近年來備受矚目。

電化學加工(Electrochemical machining, ECM)，其係通過化學反應去除工件材料或在其上鍍覆金屬材料等的加工技術。電化學加工的基本原理是用兩片金屬作為電極，通電並浸入電解溶液中，形成通路。導線和溶液中均有電流通過。但是金屬導線和電解溶液是兩類性質不同的導體，前者是靠自由電子在外電場大的作用下沿一定方向移動導電的：後者是靠溶液中正、負離子移動而導電的，是離子導體，當上述兩類導體形成通路時，在金屬片和溶液的界面上產生交換電子的反應，即電化學反應。

電化學加工具有很高的反應速度，反應速率較高於其他加工技術，其電流密度高，兩電極的距離可以很小，且陰極對陽極被加工工件作相對運動；電解液在電極間隙高速通過，具有高液壓、高流速，帶走反應中產生的大量金屬溶解產物和氣體以及熱量；電化學加工與習知加工技術比較，具有幾個特點，能同時進行多軸的加工，一次加工出形狀複雜的型面、型腔、異形孔；由於加工中工件與刀具(陰極)不接觸，不會產生切削力和切削熱，不生成毛邊；與材料的機械性能(如硬度、韌性、強度)無關，因此可加工一般機制工藝難以加工的高硬度、高韌性、高強度材料，如硬質合金、淬火鋼、耐熱合金、鈦合金。

放電加工(Electrical discharge machining, EDM)，其係藉由放電產生火花，使工件成為所需形狀的一種加工技術。介電質液體分隔兩電極並施以電壓，產生週期性快速變化的電流放電，以加工材料。其中一個電極稱為工具電極，或稱為極頭，另一個電極則稱為工件電極，或簡單稱作工件。在放電加工的過程中，工具電極和工件電極間不會有實際的接觸。

於放電加工時，當兩個電極間的電位差增大時，兩電極之間的電場亦會增大，直到電場強度高過介電強度，此時會發生介電質崩潰，電流流過兩電極，這個現象和和電容崩潰一樣（參見崩潰電壓），移除部分電極材料。當電流停止時，新的介電質會流到電極間的電場，排除固體顆粒，而介電質的絕緣性恢復。在電流流過之後，兩電極間的電位差會回到介電質崩潰之前，如此可以重複進行新一次的介電質崩潰。

放電加工廣泛應用於模具製造、機械加工行業。放電加工可以用來加工傳統切削方法難以加工的超硬材料和複雜形狀的工件，通常用於加工導電的材料，可以在諸如鈦合金、工具鋼、碳鋼和硬質合金等難加工材料上加工複雜的型腔或者輪廓。

又近年來，經研究顯示將電解液與氣混合提高流速，有助於提升加工速率與提升表面品質，但習知用於電化學加工、放電加工之液氣混合裝置，通常係添加外部氣體混入電解液形成混合流，其受管流內部壓力限制，而無法精準控制液氣混合之比例與氣泡尺寸、分布，導致混合不穩定，且可控性低，又習知液氣混合裝置須使用空氣泵浦，其容易使加工裝置之體積過大，須使用更大之容置空間，產生額外成本，因此產業界需要一種能提升液氣混合之可控性，且能縮小其體積之混合裝置。

有鑑於上述習知技術之問題，本發明提供一種電解式液氣混合裝置，其係流體流至混氣裝置後，利用混氣裝置之二電極電解流體，產生氣泡並與流體混合，混合後之流體再流至檢測裝置，檢測裝置包含發光元件以及感光元件，利用感光元件取得混合流體之氣泡影像，並以控制裝置調整混氣裝置之電壓、電流與導電時間，以及控制混氣裝置之電源以直流電或脈衝電輸出，對應調整氣泡大小以及氣泡與流體混合之比例。

本發明之一目的在於提供一種電解式液氣混合裝置，其係流體流至混氣裝置後，利用混氣裝置之二電極電解流體，產生氣泡並與流體混合，混合後之流體再流至檢測裝置，檢測裝置利用感光元件取得混合流體之氣泡影像，利用取得之影像調整混氣裝置之電壓、電流與導電時間，以及控制混氣裝置之電源以直流電或脈衝電輸出，以改變氣泡大小以及氣泡與流體混合之比例。

為達到上述所指稱之各目的與功效，本發明提供一種電解式液氣混合裝置，其包含：一混氣裝置以及一檢測裝置，該混氣裝置包含一進水管件，一進水歧管之一端連通該進水管件之一端，一電極組包含一電極管件以及一中心電極，該電極管件之一端連通該進水歧管之另一端，該進水歧管與該電極管件之間設置一角度，該中心電極設置於該電極管件之一內側，一出水管件，其一端連通該電極管件之另一端，一第一電源件，其一負極電性連接該電極管件，該第一電源件之一正極電性連接該中心電極，該檢測裝置包含一透明殼體、一發光元件以及一感光元件，該透明殼體之一端連通該出水管件之另一端，該發光元件以及該感光元件對應夾設該透明殼體，其中，一流體由該進水管件之另一端進入後，並流至該進水歧管，該流體經過該進水歧管後，該流體對應該進水歧管之該角度流至該電極管件產生旋轉水流，同時該第一電源件供該電極管件以及該中心電極電源，使該流體進行電解產生複數個氣泡，該流體經過該電極管件後，該流體流至該出水管件，該流體經過該出水管件後，該流體流至該透明殼體並流出；利用此裝置調整氣泡大小以及氣泡與流體混合之比例。

本發明之一實施例中，其中該角度係大於0度，且小於70度。

本發明之一實施例中，更包含一加工裝置，其包含一加工電極，該加工電極連通該透明殼體之另一端，該加工電極用於加工一工件。

本發明之一實施例中，更包含一第二電源件，其一負極電性連接該加工電極，該第二電源件之一正極電性連接該工件。

本發明之一實施例中，其中該加工裝置係一電化學加工裝置(Electrochemical machining)、一放電加工裝置(Electrical discharge machining)或該電化學加工裝置以及該放電加工裝置之結合。

本發明之一實施例中，更包含一容置槽，該工件設置於該容置槽之一內側。

本發明之一實施例中，更包含一過濾裝置，其連通該容置槽。

本發明之一實施例中，更包含一集水槽，其連通該過濾裝置。

本發明之一實施例中，更包含一循環泵，其一端連通該集水槽，該循環泵之另一端連通該進水管件之另一端。

本發明之一實施例中，更包含一控制裝置，其電性連接該第一電源件以及該感光元件，該控制裝置依該感光元件之一影像訊號傳輸一控制訊號至該第一電源件。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：

有鑑於上述習知技術之問題，本發明係一混氣裝置連通一檢測裝置，該混氣裝置之一進水管件之一進水歧管連通一電極管件，該進水歧管與該電極管件之間設置一角度，一出水管件之一端連通該電極管件之另一端，一中心電極設置於該電極管件之一內側，再利用一第一電源件之一正負極各別電性連接該中心電極及該電極管件，以對一流體進行電解，該流體在流至一檢測裝置之一透明殼體內，以一感光元件進行影像擷取並檢測，利用此裝置產生氣泡後，對應調整與流體混合之比例。

請參閱第1圖，其為本發明之實施例之結構示意圖，如圖所示，本實施例中，其係一種電解式液氣混合裝置1，其包含一混氣裝置10以及一檢測裝置20；於本實施例中，該混氣裝置10接收一流體A(圖未示)，該流體A再流至該檢測裝置20。

再次參閱第1圖以及參閱第2圖，第2圖為本發明之實施例之部分結構放大示意圖，如圖所示，於本實施例中，該混氣裝置10包含一進水管件12、一進水岐管13、一電極組14、一出水管件16以及一第一電源件19，該進水管件12係中空管體，該進水歧管13之一端連通該進水管件12之一端，該電極組14包含一電極管件142以及一中心電極144，該電極管件142係一中空管件，該電極管件142之一端連通該進水歧管13之另一端，且該進水歧管13與該電極管件142之間設置一角度 θ1，即係該進水歧管13呈一斜度與該電極管件142之該端連通，該進水歧管13呈該角度 θ1設置，可使經過該進水歧管13並流出之流體產生旋轉水流，該出水管件16之一端連通該電極管件142之另一端，該中心電極144設置於該電極管件142之一內側，於本實施例中，該中心電極144進一步穿設於該進水管件12，並設置於該電極管件142以及該出水管件16之一內側，以提供支撐，該中心電極144設置於該電極管件142之內同心圓與其平行，且該中心電極144不穿過該進水歧管13，避免該中心電極144影響該進水歧管13內側流體之流動，該第一電源件19之一負極電性連接該電極管件142，該第一電源件19之一正極電性連接該中心電極144，該電極管件142、該中心電極144以及該第一電源件19於通電時，使該電極管件142內側之流體進行電解；於本實施例中，該進水歧管13可為複數個進水歧管13，其各別成該角度 θ1且環形設置於該中心電極144之外緣，並與該電極管件142之該端連通，複數個進水歧管13可使經過並流出之流體進一步產生更完整之旋轉水流。

接續上述，如圖所示，於本實施例中，該檢測裝置20包含一透明殼體22、一發光元件24以及一感光元件26，該透明殼體22之一端連通該出水管件16之另一端，以接收流出該出水管件16之流體，該發光元件24以及該感光元件26對應夾設該透明殼體22之二側，該發光元件24發出光線穿過該透明殼體22後，該感光元件26接收穿過之光線，並取得流經該透明殼體22之流體之影像，以供檢測。

接續上述，於本實施例中，該角度 θ1係大於0度，且小於70度。

請參閱第3A圖至第3B圖，其為本發明之實施例之混氣裝置作動示意圖，如圖所示，本實施例中，一流體A由該進水管件12之另一端(進水端)進入後，該流體A流至該進水歧管13，該流體A經過該進水歧管13，該進水歧管13因呈該角度 θ1設置，使該流體A對應該角度 θ1流出時，於該電極管件142內側產生旋轉水流，該流體A流出該進水歧管13後，該流體A流至該電極管件142，同時該第一電源件19通電，該電極管件142與該中心電極144使該電極管件142內側之該流體A電解，產生複數個氣泡B，該流體A經過該電極管件142後，該流體A流至該出水管件16。

接續上述，於本實施例中，該進水歧管13使該流體A流出時產生旋轉水流，可解決該些個氣泡B因上浮而過於集中之問題，旋轉水流產生之旋轉與擾動，使該些個氣泡B均勻分布於該流體A內。

接續上述，於本實施例中，該電極管件142、該中心電極144以及該第一電源件19於通電時，係使該流體A包含之水電解，產生氫氣及氧氣之氣泡，但本實施例不在此限制。

接續上述，於本實施例中，該出水管件16之另一端以一斜度設置，其可對應接收呈旋轉水流之該流體A(包含該些個氣泡B)，避免該流體A於該出水管件16內側產生擾流，影響該流體A之流動。

接續上述，於本實施例中，該流體A包含電解質成分，其可對應不同加工材料之性質調整成分，例如，硝酸鈉、氯化鈉、硫酸、氫氧化鈉之水溶液，但本實施例不在此限制。

請參閱第4A圖至第4B圖，其為本發明之實施例之檢測裝置作動示意圖，如圖所示，本實施例中，該流體A經過該出水管件16後，該流體A流至該透明殼體22之內側，同時該發光元件24發出一光線L，該光線L穿過該透明殼體22射至該感光元件26，該感光元件26接收該光線L取得該流體A(包含該些個氣泡B)之影像，檢測該流體A內該些個氣泡B之大小及分布密度後，對應調整該第一電源件19之電流、電壓，使該電極管件142與該中心電極144產生該些個氣泡B之效率增加或減少，以調整該些個氣泡B之大小及分布密度。

接續上述，於本實施例中，該透明殼體22可為具有觀測窗之殼體，利用觀測窗取得該流體A(包含該些個氣泡B)之影像，但本實施例不在此限制。

接續上述，於本實施例中，該感光元件26係使用電荷耦合器件(Charge-coupled Device, CCD)，以產生影像訊號，但本實施例不在此限制。

請參閱第5圖，其為本發明之實施例之其他裝置連接示意圖，如圖所示，本實施例進一步揭示該電解式液氣混合裝置1與其他裝置連接之實施例，其包含之一加工裝置2、一第二電源件5、一容置槽6、一過濾裝置7、一集水槽8以及一循環泵9。

再次參閱第5圖，如圖所示，於本實施例中，該電解式液氣混合裝置1連通該加工裝置2，該加工裝置2包含一加工電極3，該加工電極3連通該檢測裝置20之該透明殼體22之另一端，該加工電極3用於加工一工件4，該第二電源件5之一負極電性連接該加工電極3，該第二電源件5之一正極電性連接該工件4，該工件4設置於該容置槽6之一內側，該過濾裝置7連通該容置槽6，該集水槽8連通該過濾裝置7，該循環泵9之一端連通該集水槽8，該循環泵9之另一端連通該混氣裝置10之該進水管件12之另一端(進水端)，以提供該流體A。

接續上述，於本實施例中，該加工裝置係一電化學加工裝置(Electrochemical machining)或一放電加工裝置(Electrical discharge machining)，或該電化學加工裝置以及該放電加工裝置之結合，例如電化學放電複合加工裝置，但本實施例不在此限制。

接續上述，於本實施例中，該加工電極3係設置進水孔以及出水孔，以供該流體A進出。

接續上述，於本實施例中，該工件4之材料係可導電之金屬，但本實施例不在此限制。

再次參閱第5圖，如圖所示，如上述實施例所述，包含該些個氣泡B之該流體A流出該檢測裝置20之該透明殼體22之另一端後，包含該些個氣泡B之該流體A流至該加工電極3，提供該加工電極3與該工件4電解液，同時該第二電源件5通電，使該加工電極3加工該工件4，該流體A經過該工件4後，該流體A流至該容置槽6，此時該流體A包含少量氣泡B以及部分工件之材料，該流體A流至該過濾裝置7進行過濾，去除少量氣泡B以及部分工件之材料後，該流體A流至該集水槽8，最後該循環泵9抽取該集水槽8內側之該流體A，並將該流體A泵入至該電解式液氣混合裝置1之該混氣裝置10，及係將該流體A泵入該進水管件12之另一端，完成一次循環。

接續上述，於本實施例中，該集水槽8設置於該過濾裝置7之一下方直接接收流經該過濾裝置7之該流體A，但本實施例不在此限制。

再次參閱第5圖以及參閱第6圖，第6圖為本發明之實施例之控制裝置電性連接示意圖，如圖所示，本實施例進一步揭示該電解式液氣混合裝置1更包含一控制裝置30，該控制裝置30電性連接該第一電源件19以及該感光元件26，該感光元件26取得該流體A(包含該些個氣泡B)之影像後，傳輸一影像訊號262至該控制裝置30，該控制裝置30依該感光元件26之該影像訊號262傳輸一控制訊號302至該第一電源件19，以對應調整該第一電源件19之電流、電壓，使該電極管件142與該中心電極144產生該些個氣泡B之效率增加或減少，以調整該些個氣泡B之大小及分布密度。

接續上述，於本實施例中，該控制裝置30更電性連接該循環泵9，該控制裝置30依該感光元件26之該影像訊號262傳輸一流量控制訊號304至該循環泵9，以對應調整該循環泵9之轉速，使流經該電解式液氣混合裝置1之流量增加或減少，以調整該些個氣泡B之大小及分布密度。

綜上所述，本發明提供一種電解式液氣混合裝置，其係藉由電解現象，使流動於混器裝置之流體產生氣體，並與流體混合，以此達成混氣之功效，經混氣後之流體將增加可壓縮性，進而提升該流體之流速，其可進一步提升裝置之加工效率，利用此裝置可解決習知液氣混合裝置，通常係添加外部氣體混入電解液形成混合流，其受管流內部壓力限制，而無法精準控制液氣混合之比例與氣泡尺寸、分布，導致混合不穩定，且可控性低之問題；又該電解式液氣混合裝置因使用電解之方式達成混氣，可免除空氣泵浦之使用，進一步減少所需之容置空間，併入現有加工裝置後，可對應減少加工裝置整體之體積，可解決習知液氣混合裝置，通常係添加外部氣體混入電解液形成混合流，其須使用空氣泵浦，使加工裝置之體積過大之問題。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明一實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1:電解式液氣混合裝置 2:加工裝置 3:加工電極 4:工件 5:第二電源件 6:容置槽 7:過濾裝置 8:集水槽 9:循環泵 10:混氣裝置 12:進水管件 13:進水歧管 14:電極組 142:電極管件 144:中心電極 16:出水管件 19:第一電源件 20:檢測裝置 22:透明殼體 24:發光元件 26:感光元件 262:影像訊號 30:控制裝置 302:控制訊號 304:流量控制訊號 A:流體 B:氣泡 L:光線 θ1:角度

第1圖：其為本發明之實施例之結構示意圖；第2圖：其為本發明之實施例之部分結構放大示意圖；第3A圖至第3B圖：其為本發明之實施例之混氣裝置作動示意圖；第4A圖至第4B圖：其為本發明之實施例之檢測裝置作動示意圖；第5圖：其為本發明之實施例之其他裝置連接示意圖；以及第6圖：其為本發明之實施例之控制裝置電性連接示意圖。

1:電解式液氣混合裝置

10:混氣裝置

12:進水管件

13:進水歧管

14:電極組

142:電極管件

144:中心電極

16:出水管件

19:第一電源件

20:檢測裝置

22:透明殼體

24:發光元件

26:感光元件

Claims

一種電解式液氣混合裝置，其包含：一混氣裝置，其包含：以及一進水管件；一進水歧管，其一端連通該進水管件之一端；一電極組，其包含一電極管件以及一中心電極，該電極管件之一端連通該進水歧管之另一端，該進水歧管與該電極管件之間設置一角度，該中心電極設置於該電極管件之一內側；一出水管件，其一端連通該電極管件之另一端；以及一第一電源件，其一負極電性連接該電極管件，該第一電源件之一正極電性連接該中心電極；一檢測裝置，其包含一透明殼體、一發光元件以及一感光元件，該透明殼體之一端連通該出水管件之另一端，該發光元件以及該感光元件對應夾設該透明殼體；其中，一流體由該進水管件之另一端進入後，並流至該進水歧管，該流體經過該進水歧管後，該流體對應該進水歧管之該角度流至該電極管件產生旋轉水流，同時該第一電源件供該電極管件以及該中心電極電源，使該流體進行電解產生複數個氣泡，該流體經過該電極管件後，該流體流至該出水管件，該流體經過該出水管件後，該流體流至該透明殼體並流出。
如請求項1所述之電解式液氣混合裝置，其中該角度係大於0度，且小於70度。
如請求項1所述之電解式液氣混合裝置，更包含一加工裝置，其包含一加工電極，該加工電極連通該透明殼體之另一端，該加工電極用於加工一工件。
如請求項3所述之電解式液氣混合裝置，更包含一第二電源件，其一負極電性連接該加工電極，該第二電源件之一正極電性連接該工件。
如請求項3所述之電解式液氣混合裝置，其中該加工裝置係一電化學加工裝置(Electrochemical machining)、一放電加工裝置(Electrical discharge machining)或該電化學加工裝置以及該放電加工裝置之結合。
如請求項3所述之電解式液氣混合裝置，更包含一容置槽，該工件設置於該容置槽之一內側。
如請求項6所述之電解式液氣混合裝置，更包含一過濾裝置，其連通該容置槽。
如請求項7所述之電解式液氣混合裝置，更包含一集水槽，其連通該過濾裝置。
如請求項8所述之電解式液氣混合裝置，更包含一循環泵，其一端連通該集水槽，該循環泵之另一端連通該進水管件之另一端。
如請求項1所述之電解式液氣混合裝置，更包含一控制裝置，其電性連接該第一電源件以及該感光元件，該控制裝置依該感光元件之一影像訊號傳輸一控制訊號至該第一電源件。