專利名稱：超聲射水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及用于清洗和切割的高壓水射流，并且具體涉及高頻調(diào)節(jié)水射流。
背景技術(shù)：
連續(xù)流高壓水射流在清洗和切割應(yīng)用的領(lǐng)域中是眾所周知的。根據(jù)具體的應(yīng)用，產(chǎn)生高壓水射流所需的水壓可以設(shè)置為對(duì)于完全成直線的清洗任務(wù)的每平方英寸幾千英鎊(psi)到對(duì)于切割和去除變硬的涂層任務(wù)的每平方英寸幾萬英鎊。
美國專利4,787,178(Morgan等人)、4,966,059(Landeck)、6,553,640(Nopwaskey等人)、5,584,016(Varghese等人)、5,778,713(Butler等人)、6,021,699(Caspar)、6，126,524(Shepherd)和6,220,529(Xu)中公開了用于切割和清洗的連續(xù)流高壓射水系統(tǒng)的例子。在歐洲專利申請(qǐng)EP0 810 038(Munoz)和EP 0 983 827(Zumstein)、及美國專利申請(qǐng)公開US2002/0109017(Rogers等人)、US2002/0124868(Rice等人)和US2002/0173220(Lewin等人)中發(fā)現(xiàn)了進(jìn)一步的例子。
前述為其例子的連續(xù)流射水技術(shù)具有某些使連續(xù)流動(dòng)噴水系統(tǒng)昂貴和笨重的缺點(diǎn)。因?yàn)楸绢I(lǐng)域的技術(shù)人員已開始理解，連續(xù)流射水設(shè)備必須被堅(jiān)固地設(shè)計(jì)以經(jīng)受住所需的極高的水壓。所以，噴嘴、水管道和配件體積大、重而且昂貴。為了提供超高壓水射流，需要昂貴的超高壓水泵，在這種泵的資金成本和與運(yùn)轉(zhuǎn)這種泵相關(guān)的能源成本這兩個(gè)方面其進(jìn)一步增加了成本。
由于連續(xù)流射水器的缺點(diǎn)，開發(fā)了一種超聲脈動(dòng)噴嘴，以提供非連續(xù)、事實(shí)上不連續(xù)的束、或“子彈”的高頻調(diào)節(jié)水。在1992年10月13日的美國專利5,134,347(Vijay)中詳細(xì)地描述和說明了該超聲噴嘴。美國專利5,134,347中公開的超聲噴嘴將來自于超聲產(chǎn)生器的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成超高頻機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)該機(jī)械振動(dòng)穿過噴嘴時(shí)，它能夠給予水射流每秒幾千次的脈沖。該水射流脈沖給予要切割或清洗的表面水錘壓力。由于這種向各目標(biāo)表面施加水錘壓力的水的小子彈的快速撞擊，極大地增加了水射流的沖刷能力。因而該超聲振動(dòng)噴嘴切割或清洗能夠比現(xiàn)有技術(shù)的連續(xù)流水射流進(jìn)行更有效地切割或清洗。
理論上，沖擊目標(biāo)表面的沖刷壓力為滯止壓力，或1/2ρv2(其中ρ表示水密度，v表示當(dāng)水撞擊目標(biāo)表面時(shí)，水的沖擊速度)。通過對(duì)照，由于水錘現(xiàn)象引起的壓力為ρcv(其中c表示水中的聲音速度，其近似為1524m/s)。所以，通過水射流的振動(dòng)得到的沖擊壓力的理論放大倍率為2c/v。即使忽略氣阻，并且認(rèn)為沖擊速度近似為1500英尺每秒(或近似465m/s)的液體輸送速度，沖擊壓力的放大倍率約為6～7。如果該模型考慮氣阻，且沖擊速度約為300m/s，則理論放大倍率應(yīng)該是十倍。
實(shí)際上，由于摩擦損失和其它低效率，對(duì)于特定的壓力源，美國專利5,154,347中描述的振動(dòng)超聲噴嘴向目標(biāo)表面上施加約6～8倍的更多的沖擊壓力。所以，為了達(dá)到同樣的沖刷能力，振動(dòng)噴嘴只需要用功率小6～8倍的壓力源運(yùn)轉(zhuǎn)。由于振動(dòng)噴嘴可以與更小和更便宜的泵一起使用，所以它比連續(xù)流水射流噴嘴更經(jīng)濟(jì)。另外，因?yàn)槭褂贸晣娮?，噴嘴、管道和配件中的水射流壓力非常小，所以可以將超聲噴嘴設(shè)計(jì)成更輕、不那么笨重和更便宜。
盡管美國專利5,154,347中描述的超聲噴嘴代表了水射流切割和清洗技術(shù)中的實(shí)質(zhì)性突破，該發(fā)明的申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步的完善和改進(jìn)是理想的。美國專利5,154,347中描述的超聲噴嘴的第一重復(fù)由于與先前存在的水射流產(chǎn)生器共同使用，所以證明不是最佳的。所以需要充分利用超聲噴嘴的完全的超聲射水器。
還證明理想的是改進(jìn)超聲噴嘴以使它從流體動(dòng)力的觀點(diǎn)看更有效，能夠更有效地從大的表面清洗和去除涂料，并且在最終用戶的手中更加符合人類工程學(xué)。
因此，根據(jù)前述缺點(diǎn)，提供一種改進(jìn)的超聲射水器是非常理想的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是克服上面指出的現(xiàn)有技術(shù)的至少一些缺點(diǎn)。
通過所附獨(dú)立權(quán)利要求限定的要素實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明。從屬權(quán)利要求中限定了優(yōu)選的特征和可選擇的實(shí)施方案。
因而，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種超聲射水器，包括具有用于產(chǎn)生和傳輸高頻電脈沖的超聲發(fā)生器的發(fā)生器組件；用于控制超聲發(fā)生器的控制單元；與高壓水源連接的高壓水入口；和與高壓水入口連接的高壓水出口。該超聲射水器進(jìn)一步包括與高壓水出口連接的高壓水軟管和與高壓水軟管連接的槍。所述的槍具有超聲噴嘴，該超聲噴嘴具有用于從超聲發(fā)生器接收高頻電脈沖的換能器，該換能器將電脈沖轉(zhuǎn)換成鼓動(dòng)流經(jīng)噴嘴的水射流的振動(dòng)，產(chǎn)生脈動(dòng)水彈的水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力。
所述的換能器優(yōu)選為壓電的或壓磁的，并且加工成圓柱形或管狀芯形。
優(yōu)選地，所述的槍為手握的，并且進(jìn)一步包括用于啟動(dòng)超聲發(fā)生器從而將連續(xù)流水射流轉(zhuǎn)換成脈沖水射流的觸發(fā)器。所述的槍還包括用于打開位于發(fā)生器組件的安全閥的安全閥觸發(fā)器。
優(yōu)選地，超聲射水器具有用于冷卻換能器的壓縮空氣軟管，和用于將來自于超聲發(fā)生器的電脈沖傳遞到換能器的超聲信號(hào)電纜。
為了清洗或去除大的表面的涂層，超聲射水器包括旋轉(zhuǎn)噴嘴頭或具有多個(gè)出口孔的噴嘴。所述的旋轉(zhuǎn)噴嘴頭優(yōu)選為由通過一對(duì)外噴射器或由成角度的孔產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是超聲射水器產(chǎn)生比連續(xù)流水射流高得多的有效沖擊壓力，從而增加該設(shè)備的清洗、切割、清理毛刺、去除涂層和打碎能力。通過水射流的脈動(dòng)，一列小水彈沖擊目標(biāo)表面，各水彈給予水錘壓力。對(duì)于特定的壓力源，水錘壓力遠(yuǎn)高于連續(xù)流水射流的滯止壓力。所以，為了切割和清理毛刺、清洗和去除涂層、和打碎石頭和巖石類物質(zhì)，超聲射水器可以以非常低的壓力源運(yùn)轉(zhuǎn)。因此超聲射水器在構(gòu)造和使用上比常規(guī)的連續(xù)流噴水系統(tǒng)更有效、更耐用、且更便宜。
本發(fā)明的另一技術(shù)方案提供了一種用于超聲噴射器中的超聲噴嘴。該超聲噴嘴包括用于將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成鼓動(dòng)流經(jīng)噴嘴的水射流的機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生脈動(dòng)水彈的水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力的換能器。該噴嘴具有用于清洗或去除大表面的涂層的旋轉(zhuǎn)噴嘴或多個(gè)出口孔。
本發(fā)明的另一技術(shù)方案是提供了一種用于超聲噴射器中的超聲噴嘴，包括用于將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成鼓動(dòng)流經(jīng)噴嘴的水射流的機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生脈動(dòng)水彈的水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力的換能器，所述的換能器具有用于將換能器與水射流隔離開的帶密封的微尖端，該密封口被設(shè)置在沿著微尖端產(chǎn)生的駐波的振幅為零的節(jié)平面處。
本發(fā)明的另一技術(shù)方案提供了用超聲脈沖水射流切割、清洗、清理毛刺、去除涂層和打碎巖石類材料的相關(guān)方法。該方法包括以下步驟迫使高壓連續(xù)流水射流經(jīng)過噴嘴；產(chǎn)生高頻電脈沖；將高頻電脈沖傳輸?shù)綋Q能器；將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)；鼓動(dòng)高壓連續(xù)流水射流以將其轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的水彈的脈動(dòng)水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力；以及指引脈動(dòng)水射流到目標(biāo)材料上。根據(jù)需要的應(yīng)用，超聲脈動(dòng)水射流可以用于切割、清洗、清理毛刺、去除涂層或機(jī)碎。
在清理或去除大表面的涂層的應(yīng)用時(shí)，超聲射水器有利地包括具有多個(gè)出口孔或具有旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的噴嘴。


本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述變得明顯，其中圖1為按照本發(fā)明的實(shí)施方案，具有與手握槍相連的可移動(dòng)發(fā)生器組件的超聲射水器的示意側(cè)視圖；
圖2為說明可移動(dòng)發(fā)生器組件的功能的示意流程圖；圖3為顯示超聲射水器的功能的示意圖；圖4為可移動(dòng)發(fā)生器組件的俯視圖；圖5為可移動(dòng)發(fā)生器組件的后視圖；圖6為可移動(dòng)發(fā)生器組件的左視圖；圖7為用于超聲射水器的具有壓電換能器的超聲噴嘴的剖視圖；圖8為安裝在裝有輪子的基座上，用于清洗和凈化交通工具的底面的超聲噴嘴的側(cè)視圖；圖9為顯示用于進(jìn)水的側(cè)口的細(xì)節(jié)和用于調(diào)節(jié)水射流的微尖端的布置的超聲噴嘴的剖視圖；圖10為具有梯級(jí)圓柱形形式的微尖端的側(cè)視圖；圖11為用于超聲射水器的第二實(shí)施方案的多孔噴嘴的剖視圖；圖12為具有旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的超聲射水器的第三實(shí)施方案的示意剖視圖，該旋轉(zhuǎn)噴嘴頭是通過由外噴射器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)的；圖13為具有成角度的孔的旋轉(zhuǎn)超聲噴嘴的剖視圖；圖14為圖13的旋轉(zhuǎn)超聲噴嘴的變型的剖視圖；圖15為圖13的旋轉(zhuǎn)超聲噴嘴的另一變型的剖視圖；圖16為具有嵌入磁致伸縮換能器的超聲噴嘴的剖視圖；圖17為具有圓柱形芯的形式的磁致伸縮換能器的示意剖視圖；
圖18為具有磁致伸縮圓柱芯的超聲噴嘴的剖視圖；圖19為具有磁致伸縮管狀芯的超聲噴嘴的剖視圖；圖20為具有固定線圈的旋轉(zhuǎn)雙孔噴嘴的示意剖視圖；和圖21為具有轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)雙孔噴嘴的示意剖視圖。
應(yīng)注意所有的附圖，同樣的特征用同樣的附圖標(biāo)記確定。
具體實(shí)施例方式
圖1說明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的超聲射水器。通常由附圖標(biāo)記10標(biāo)記的該超聲射水器具有可移動(dòng)發(fā)生器組件20(也稱為壓力脈沖水射流發(fā)生器)?？梢苿?dòng)發(fā)生器組件20通過高壓水軟管40、壓縮空氣軟管42、超聲信號(hào)電纜44和觸發(fā)信號(hào)電纜46與手握槍50連接。高壓水軟管40和壓縮空氣軟管42被包在抗磨損性尼龍?zhí)字小榱税踩脑?，將超聲信?hào)電纜44包含在壓縮空氣軟管42內(nèi)。壓縮空氣用于冷卻下面將介紹和描述的換能器。
手握槍50具有脈沖觸發(fā)器52和安全閥觸發(fā)器54。手握槍還具有超聲噴嘴60。超聲噴嘴60具有換能器62，其為壓電或壓磁換能器。壓磁換能器由如TerfenolTM合金的磁致伸縮材料制成。
如圖2中所說明的，可移動(dòng)發(fā)生器組件20具有典型地以20kHz的頻率產(chǎn)生高頻電脈沖的超聲發(fā)生器21。超聲發(fā)生器21通過電功率輸入22供給動(dòng)力(其也可由電功率輸入供給動(dòng)力，優(yōu)選220-V電源)和通過控制單元23控制?？梢苿?dòng)發(fā)生器組件還具有與高壓水源(圖中未繪出，但在本領(lǐng)域中是已知的)連接的高壓水入口24。高壓水入口與高壓水歧管25相連。與高壓水歧管25相連的高壓水標(biāo)26用于測量水壓。安全閥27也與高壓水歧管連接。安全閥通過由控制單元23控制的螺線管28開動(dòng)。為了減輕槍的重量和減少觸發(fā)安全閥時(shí)急拉力對(duì)使用者產(chǎn)生的作用，將安全閥設(shè)置在可移動(dòng)發(fā)生器組件20上，而不是設(shè)置在槍上。最后，高壓水壓力和開關(guān)(switch)29向控制單元提供反饋信號(hào)。
仍然參照?qǐng)D2，可移動(dòng)發(fā)生器組件20還具有用于從壓縮空氣源(未顯示，但在本領(lǐng)域中已知)供給壓縮空氣的空氣入口30?？諝馊肟?0與空氣歧管31、風(fēng)表32和用于給控制單元提供反饋信號(hào)的氣壓傳感器和開關(guān)33相連?？刂茊卧€通過觸發(fā)信號(hào)電纜46接收觸發(fā)信號(hào)。設(shè)計(jì)可移動(dòng)發(fā)生器組件20的控制單元23，不僅確保操作者的安全，而且保護(hù)設(shè)備的靈敏元件。例如，如果沒有空氣流通過換能器，并且沒有水流通過槍，則不可能開啟超聲發(fā)生器。
如圖2中所示，可移動(dòng)發(fā)生器組件20具有高壓水出口40a，壓縮空氣出口42a和超聲信號(hào)輸出44a，其分別通過高壓水軟管40、壓縮空氣軟管42和超聲信號(hào)電纜44與手握槍50相連。
圖3為超聲射水器10的配線和電纜的示意圖。壓縮空氣軟管設(shè)定為100psi，并且在它內(nèi)部攜帶有被設(shè)定傳輸高頻3.5kV脈沖的超聲信號(hào)電纜。空氣軟管和超聲信號(hào)電纜與槍中的換能器插入連接。高壓水軟管設(shè)定為20,000psi的最大量，并且如顯示的與槍相連但在換能器的下面。設(shè)計(jì)以攜帶27VAC、0.7A信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)電纜連接觸發(fā)器和發(fā)生器組件。
如圖3中所示，超聲射水器10具有幾個(gè)安全特征。所有的電插座或裝有彈簧，或用螺帽鎖上。如前面提到的，將水和空氣軟管包在抗磨損的尼龍中以經(jīng)受住磨損和撕裂。另外，在空氣軟管由于意外暴露于水射流中而被切斷的不太可能的事件中，超聲信號(hào)電纜中的電壓通過氣壓傳感器和開關(guān)立刻被降至零。
圖4、5和6為顯示可移動(dòng)發(fā)生器組件20的各種元件的詳細(xì)裝配圖?？梢苿?dòng)發(fā)生器組件20具有保護(hù)換能器免于灰塵、油和污垢的空氣過濾裝置34。螺線管28與用于開動(dòng)安全閥的氣動(dòng)致動(dòng)器裝置35耦合。該氣動(dòng)致動(dòng)器裝置包括氣動(dòng)閥35a、氣缸35b、氣缸進(jìn)口閥35c、氣缸出口閥35d。可移動(dòng)發(fā)生器組件20進(jìn)一步包括水/空氣入口托架36、水/空氣出口托架37、管吊托38、水壓開關(guān)29、氣壓開關(guān)33和水/氣壓力開關(guān)托架39。
參照?qǐng)D7，超聲射水器10的超聲噴嘴60使用壓電換能器或壓磁(磁致可伸縮)換能器62，其與或稱為“速度變換器”的微尖端64相連，以調(diào)節(jié)或鼓動(dòng)流出噴嘴頭66的連續(xù)流水射流，從而將連續(xù)流水射流轉(zhuǎn)變成脈動(dòng)水射流。超聲噴嘴60形成本領(lǐng)域中稱作的“壓力脈沖水射流”或脈沖水射流。該脈沖水射流為各在目標(biāo)表面上施加水錘壓力的水袋或水彈的流或列。因?yàn)樗N壓力明顯大于連續(xù)流水射流的滯止壓力，所以脈沖水射流在切割、清洗、清理毛刺、去除涂層和打碎方面更加有效。
超聲噴嘴可以如圖1中所示安裝在手握槍上，也可以安裝在計(jì)算機(jī)控制的X-Y臺(tái)架上(用于準(zhǔn)確切割或機(jī)械操作)。如圖8中所示，超聲噴嘴還可以安裝在裝有輪子的基座70上。裝有輪子的基座70具有把手72、轉(zhuǎn)軸74和雙旋轉(zhuǎn)孔76。圖8的裝有輪子的基座可以用于清洗或凈化交通工具的底部。
如圖7中所示，連續(xù)流水射流通過換能器下面的水入口進(jìn)入。如圖7和圖9中所示，水通過與水入口82液體連通的側(cè)口80進(jìn)入超聲噴嘴60中。水不直接接觸微尖端64的纖細(xì)末端，由于這樣避免了微尖端的有害的橫向振動(dòng)的形成，所以是重要的。微尖端的橫向振動(dòng)干擾水射流并且可能導(dǎo)致微尖端的破裂。
盡管可以以各種樣式(圓錐形、指數(shù)型等)制作微尖端，微尖端的優(yōu)選剖面為如圖10中所示的梯級(jí)圓柱形，其制造簡單，耐用且提供良好的流體動(dòng)力學(xué)。微尖端64優(yōu)選由鈦合金制成。使用鈦合金是因?yàn)樗母呗曀?，和因?yàn)樗峁┘舛苏駝?dòng)的最大振幅。如圖10中所示，微尖端64具有根67和莖65。根67具有用于連接換能器的母螺紋。莖65是纖細(xì)的且被設(shè)置在后面，以使它可以連接和調(diào)節(jié)水射流。在圖10中還顯示了位于根67和莖65之間的凸緣的69。凸緣69限定了節(jié)平面69a。當(dāng)聲波向前行進(jìn)(在圖中從左到右)，并在尖端處被反射時(shí)，在微尖端64中形成駐波模式。在節(jié)平面69a處，駐波的振幅為零，所以這里是放置用于封住高壓水的O-環(huán)(未顯示)的最佳位置。用85-硬度計(jì)或更高的硬度計(jì)對(duì)O-環(huán)做硬度評(píng)價(jià)。
如圖7中所示，超聲噴嘴60具有單個(gè)孔61。單個(gè)孔對(duì)許多應(yīng)用是有用的，例如切割和清理各種材料的毛刺，及打碎巖石類材料。然而，對(duì)于如清洗或去除大的表面積的應(yīng)用，單個(gè)孔每次只去除較窄的面積。所以，對(duì)于如清洗并去除如涂料、瓷釉或鐵銹的應(yīng)用，提供其中超聲噴嘴具有多個(gè)孔的第二實(shí)施方案是有益的。圖11顯示具有三個(gè)孔61a的超聲噴嘴60。微尖端具有三個(gè)用于調(diào)節(jié)當(dāng)水射流被壓過三個(gè)平行的出射孔時(shí)的水射流的尖頭。從而圖11的三孔噴嘴比單孔噴嘴能夠清洗或去除更寬面積的涂層。如圖11中所示，螺帽60a將多孔噴嘴固定在殼60b上。圖11顯示了微尖端64如何達(dá)到三個(gè)尖頭64a的頂點(diǎn)，并達(dá)到各三個(gè)孔61a。
在圖12中說明的第三實(shí)施方案中，超聲噴嘴60具有旋轉(zhuǎn)噴嘴頭90，其使超聲噴嘴60可以有效地清洗或去除大的表面積的涂層。由于水流進(jìn)兩個(gè)外噴射器92，所以旋轉(zhuǎn)噴嘴頭90是自旋轉(zhuǎn)的。流出的水產(chǎn)生引起外噴射器92旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，其反過來引起旋轉(zhuǎn)噴嘴頭90旋轉(zhuǎn)。在該實(shí)施方案中，大量水射流被壓過一個(gè)或兩個(gè)成角度的出口孔91。根據(jù)要清洗的材料，外噴射器可以參與或不參與清洗操作。聲學(xué)上匹配的轉(zhuǎn)軸94置于換能器和旋轉(zhuǎn)噴嘴頭之間。轉(zhuǎn)軸94被設(shè)計(jì)成不僅能經(jīng)受壓力，而且在聲學(xué)上與系統(tǒng)的其余部分匹配以達(dá)到共振。轉(zhuǎn)軸94可以有或沒有用于限制旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的角速度的速度控制機(jī)械裝置，如旋轉(zhuǎn)阻尼器(damper)。
如圖13、14和15所示，旋轉(zhuǎn)噴嘴頭90的自旋轉(zhuǎn)可以通過改變出射孔91的方位角實(shí)現(xiàn)。當(dāng)水射流被壓出出口孔時(shí)，產(chǎn)生了引起旋轉(zhuǎn)噴嘴頭90旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩?？梢栽谵D(zhuǎn)軸94中安裝旋轉(zhuǎn)阻尼器，以限制旋轉(zhuǎn)噴嘴頭90的角速度。圖13、14和15中顯示的構(gòu)造在狹窄的空間中是特別有用的。對(duì)于清洗和去除大的表面的涂層，只使用一個(gè)振動(dòng)噴嘴也是可能的。
對(duì)于水下操作，使用壓磁換能器，而不使用不能浸入水中的壓電換能器。與壓電換能器不同，壓磁換能器62可以裝進(jìn)噴嘴60的內(nèi)部。壓磁換能器使用磁致伸縮材料，例如市售可得的TerfenolTM合金的一種。如圖16中所示，這些基于Terfenol的磁致伸縮換能器是緊密的且沒入噴嘴60中。壓電換能器產(chǎn)生適應(yīng)使用的電領(lǐng)域的機(jī)械振動(dòng)，而磁致伸縮材料產(chǎn)生適應(yīng)使用的磁領(lǐng)域的機(jī)械振動(dòng)(通過如圖17中所示的線圈和偏磁)。但是，對(duì)于可靠操作，重要的是保持磁致伸縮材料在居里(Curie)溫度以下且一直處于壓縮中。特別對(duì)于這里描述的用途，盡管可以通過圖17中顯示的側(cè)板施加壓縮壓力，冷卻磁致伸縮材料以使溫度低于居里點(diǎn)，但是根據(jù)應(yīng)用，需要幾個(gè)不同技術(shù)中的一個(gè)。
圖17顯示了磁致伸縮換能器62的一個(gè)裝配結(jié)構(gòu)。TerfenolTM合金用作磁致伸縮芯100。如所示，芯100被線圈102和偏磁104共中心地環(huán)繞。負(fù)荷板106、彈簧107和側(cè)板108使該裝置處于壓縮中。
對(duì)于持續(xù)時(shí)間短的應(yīng)用，其不需要旋轉(zhuǎn)噴嘴頭，圖16中顯示的結(jié)構(gòu)是合適的。在該結(jié)構(gòu)中，正在使用壓電換能器的情況下，通過氣流冷卻換能器(如通過被壓過換能器的壓縮空氣)。
對(duì)于長時(shí)間操作，或?qū)τ谠谛D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中操作，這種氣流冷卻是不可行的解決辦法?？梢允褂脠D18、19、20和21中所示的結(jié)構(gòu)用于解決任何要求。如圖18中說明的，Terfenol桿通過流經(jīng)環(huán)形通道的高壓水冷卻。如圖19中說明的，另一方面，Terfenol被制成管100a的形狀以進(jìn)一步增加冷卻。和前面一樣，Terfenol管置于線圈102和偏磁104內(nèi)。圖18和19中所示的結(jié)構(gòu)可以用于非旋轉(zhuǎn)多孔結(jié)構(gòu)。
對(duì)于包括兩個(gè)或多個(gè)孔的旋轉(zhuǎn)噴嘴頭，圖20和21中說明的結(jié)構(gòu)更適合。如圖20和21中所示，高壓水被壓過入口82，被脈動(dòng)然后通過兩個(gè)出口孔76被射出。各出口孔具有它自己的微尖端64，或“探針”，其被磁致伸縮換能器62振動(dòng)。在圖20中，噴嘴頭66是旋轉(zhuǎn)的，而線圈102仍是固定的。在圖21中，使用如前面所述的轉(zhuǎn)軸74旋轉(zhuǎn)噴嘴。結(jié)果，脈沖水射流被分成兩個(gè)射流，以有效清洗或去除大的表面積的涂層。
上面所述的本發(fā)明的實(shí)施方案只是代表性的。所以本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種超聲射水器，包括a)發(fā)生器組件，該發(fā)生器組件具有i)產(chǎn)生和傳輸高頻電脈沖的超聲發(fā)生器；ii)控制超聲發(fā)生器的控制單元；iii)與高壓水源連接的高壓水入口；iv)與高壓水入口連接的高壓水出口；b)與高壓水出口連接的高壓水軟管；c)與高壓水軟管連接的槍，所述的槍具有超聲噴嘴，該超聲噴嘴具有用于從超聲發(fā)生器接收高頻電脈沖的換能器，該換能器將電脈沖轉(zhuǎn)換成鼓動(dòng)流經(jīng)噴嘴的水射流的振動(dòng)，產(chǎn)生脈動(dòng)水彈的水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中所述的換能器為由磁致伸縮材料制成的壓磁換能器。
3.如權(quán)利要求2所述的超聲射水器，其中磁致伸縮材料為TerfenolTM合金。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲射水器，其中壓磁換能器為在線圈和偏磁之內(nèi)的圓柱形芯。
5.如權(quán)利要求3所述的超聲射水器，其中壓磁換能器為在線圈和偏磁之內(nèi)的管狀芯。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中所述的換能器為壓電換能器。
7.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，進(jìn)一步包括用于啟動(dòng)超聲發(fā)生器以將連續(xù)水射流轉(zhuǎn)換成脈沖水射流的觸發(fā)器。
8.如權(quán)利要求7所述的超聲射水器，其中所述的觸發(fā)器設(shè)置在槍上。
9.如權(quán)利要求8所述的超聲射水器，其中所述的槍為手握式的。
10.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中發(fā)生器組件安裝在輪子上以成為可移動(dòng)的。
11.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中發(fā)生器組件進(jìn)一步包括高壓水入口和高壓水出口之間的水安全閥，和根據(jù)從位于槍上的安全閥觸發(fā)器傳輸?shù)男盘?hào)打開和關(guān)閉水安全閥的致動(dòng)器。
12.如權(quán)利要求11所述的超聲射水器，其中所述的致動(dòng)器為螺線管。
13.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，進(jìn)一步包括將電脈沖從超聲發(fā)生器傳遞到換能器的超聲信號(hào)電纜。
14.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，進(jìn)一步包括用于供給壓縮空氣以冷卻換能器的壓縮空氣軟管。
15.如權(quán)利要求14所述的超聲射水器，其中超聲信號(hào)電纜包含于壓縮空氣軟管之內(nèi)。
16.如權(quán)利要求14所述的超聲射水器，其中發(fā)生器組件進(jìn)一步包括壓縮空氣入口和壓縮空氣出口，該壓縮空氣出口與壓縮空氣軟管相連。
17.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中高壓水軟管被包在抗磨損尼龍?zhí)字小?br> 18.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中超聲噴嘴具有單出口孔。
19.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中超聲噴嘴具有多個(gè)出口孔。
20.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中超聲噴嘴進(jìn)一步包括旋轉(zhuǎn)噴嘴頭。
21.如權(quán)利要求20所述的超聲射水器，其中所述的旋轉(zhuǎn)噴嘴頭利用噴嘴中的水壓而自旋轉(zhuǎn)。
22.如權(quán)利要求21所述的超聲射水器，其中超聲噴嘴進(jìn)一步包括旋轉(zhuǎn)阻尼器，以減小旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的角速度。
23.如權(quán)利要求22所述的超聲射水器，其中超聲噴嘴進(jìn)一步包括一對(duì)與水射流液體連通的外噴射器，以提供自旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的轉(zhuǎn)矩。
24.如權(quán)利要求23所述的超聲射水器，包括單個(gè)成角度的出口孔。
25.如權(quán)利要求22所述的超聲射水器，包括多個(gè)成角度的出口孔。
26.如權(quán)利要求25所述的超聲射水器，其中多個(gè)成角度的出口孔產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以使所述的旋轉(zhuǎn)噴嘴頭自旋轉(zhuǎn)。
27.如權(quán)利要求1所述的超聲射水器，其中換能器進(jìn)一步包括通過脈動(dòng)水射流起到速度變換器作用的微尖端。
28.如權(quán)利要求27所述的超聲射水器，其中微尖端為梯級(jí)圓柱形。
29.如權(quán)利要求28所述的超聲射水器，其中微尖端由鈦合金制成。
30.如權(quán)利要求27所述的超聲射水器，其中微尖端包括連接換能器的根、接觸和調(diào)節(jié)水射流的莖、及根與莖之間的凸緣，該凸緣形成節(jié)平面，在該節(jié)平面處微尖端上形成的駐波的振幅為零。
31.如權(quán)利要求30所述的超聲射水器，其中微尖端進(jìn)一步包括位于節(jié)平面處用于將換能器與水射流隔離開的O-環(huán)。
32.如權(quán)利要求31所述的超聲射水器，其中O-環(huán)具有至少85計(jì)示硬度的硬度級(jí)別。
33.一種用于超聲射水器的超聲噴嘴，該超聲噴嘴包括用于將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成鼓動(dòng)流經(jīng)噴嘴的水射流的機(jī)械振動(dòng)、產(chǎn)生脈動(dòng)水彈的水射流的換能器，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力，所述的換能器包括具有將換能器與水射流隔離開的密封的微尖端，該密封被設(shè)置在沿著微尖端產(chǎn)生的駐波的振幅為零的節(jié)平面處。
34.如權(quán)利要求33所述的超聲噴嘴，其中微尖端為梯級(jí)圓柱形。
35.如權(quán)利要求34所述的超聲噴嘴，其中微尖端由鈦合金制成。
36.一種用于超聲射水器的超聲噴嘴，該超聲噴嘴包括用于將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成鼓動(dòng)流經(jīng)噴嘴的水射流的機(jī)械振動(dòng)、產(chǎn)生脈動(dòng)水彈的水射流的換能器，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力，所述的噴嘴包括旋轉(zhuǎn)噴嘴頭。
37.如權(quán)利要求36所述的超聲噴嘴，其中所述的旋轉(zhuǎn)噴嘴頭由通過偏轉(zhuǎn)水射流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)。
38.如權(quán)利要求37所述的超聲噴嘴，其中旋轉(zhuǎn)噴嘴頭具有兩個(gè)外噴射器。
39.如權(quán)利要求37所述的超聲噴嘴，其中旋轉(zhuǎn)噴嘴頭進(jìn)一步包括阻尼器，以限制旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的角速度。
40.一種用超聲脈動(dòng)水射流切割的方法，該方法包括以下步驟a)迫使高壓連續(xù)流水射流經(jīng)過噴嘴；b)產(chǎn)生高頻電脈沖；c)將高頻電脈沖傳輸?shù)綋Q能器；d)將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)；e)鼓動(dòng)高壓連續(xù)流動(dòng)水射流以將它轉(zhuǎn)換成不連續(xù)水彈的脈動(dòng)水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力；和f)指引脈動(dòng)水射流到要切割的材料上。
41.一種用超聲脈動(dòng)水射流清洗的方法，該方法包括以下步驟a)迫使高壓連續(xù)流水射流經(jīng)過噴嘴；b)產(chǎn)生高頻電脈沖；c)將高頻電脈沖傳輸?shù)綋Q能器；d)將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)；e)鼓動(dòng)高壓連續(xù)流水射流以將它轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的水彈的脈動(dòng)水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力；和f)指引脈動(dòng)水射流到要清洗的材料上。
42.如權(quán)利要求41所述的清洗方法，進(jìn)一步包括自旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的步驟，以使脈沖水射流沖擊更大的表面積。
43.如權(quán)利要求41所述的清洗方法，進(jìn)一步包括將脈沖水射流分成多個(gè)分水射流的步驟，以使該分水射流沖擊更大的表面積。
44.一種用超聲脈動(dòng)水射流清理毛刺的方法，該方法包括以下步驟a)迫使高壓連續(xù)流水射流經(jīng)過噴嘴；b)產(chǎn)生高頻電脈沖；c)將高頻電脈沖傳輸?shù)綋Q能器；d)將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)；e)鼓動(dòng)高壓連續(xù)流水射流以將它轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的水彈的脈動(dòng)水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力；和f)指引脈動(dòng)水射流到要清理毛刺的材料上。
45.一種用超聲脈動(dòng)水射流去除表面涂層的方法，該方法包括以下步驟a)迫使高壓連續(xù)流水射流經(jīng)過噴嘴；b)產(chǎn)生高頻電脈沖；c)將高頻電脈沖傳輸?shù)綋Q能器；d)將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)；e)鼓動(dòng)高壓連續(xù)流水射流以將它轉(zhuǎn)換成由不連續(xù)的水彈的脈動(dòng)水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力；和f)引導(dǎo)和脈動(dòng)水柱到指引脈動(dòng)水射流到表面涂層上，以從表面去除涂層。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，進(jìn)一步包括自旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)噴嘴頭的步驟，以使脈沖水射流沖擊更大的表面積。
47.如權(quán)利要求45所述的方法，進(jìn)一步包括將脈沖水射流分成多個(gè)分水射流的步驟，以使該分水射流沖擊更大的表面積。
48.一種用超聲脈動(dòng)水射流打碎巖石類材料的方法，該方法包括以下步驟a)迫使高壓連續(xù)流水射流經(jīng)過噴嘴；b)產(chǎn)生高頻電脈沖；c)將高頻電脈沖傳輸?shù)綋Q能器；d)將高頻電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)；e)鼓動(dòng)高壓連續(xù)流水射流以將它轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的水彈的脈動(dòng)水射流，各水彈能夠在目標(biāo)表面上施加水錘壓力；和f)指引脈動(dòng)水射流到要打碎的巖石類材料上。
全文摘要
一種具有可移動(dòng)發(fā)生器組件(20)和高壓水軟管(40)的超聲射水器(10)，該高壓水軟管用于將高壓水從可移動(dòng)發(fā)生器組件(20)傳送到具有觸發(fā)器和超聲噴嘴(60)的手握槍(50)。在可移動(dòng)發(fā)生器組件(20)中的超聲發(fā)生器將高頻電脈沖傳輸?shù)綁弘娀驂捍艙Q能器(62)，其振動(dòng)以調(diào)節(jié)高壓水射流流經(jīng)噴嘴(60)。從超聲噴嘴(60)射出的水射流被脈沖成小水彈，各水彈在目標(biāo)表面上施加水錘壓力。超聲射水器(10)可以用于切割和清理材料的毛刺、清洗和去除表面的涂層、以及打碎石頭。超聲射水器(10)由于重復(fù)的水錘作用，以比常規(guī)的連續(xù)流射水系統(tǒng)更高的效率完成這些任務(wù)?？梢蕴峁┚哂卸鄠€(gè)出口孔或旋轉(zhuǎn)噴嘴(76)的噴嘴代替具有單出口孔的噴嘴，以便更有效地清洗和去除大的表面的涂層。水安全閥(27)和控制螺線管被設(shè)置在可移動(dòng)發(fā)生器組件(20)上，而不是槍(50)上，從而使槍更輕和更符合人體工程學(xué)。
文檔編號(hào)B05B12/06GK1878620SQ200380110662
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2003年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月3日
發(fā)明者莫漢M·維賈伊, 閻文卓, 安德魯·肖, 任寶林 申請(qǐng)人:Vln高級(jí)技術(shù)公司