DE102018207717A1

DE102018207717A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls

Info

Publication number: DE102018207717A1
Application number: DE102018207717.7A
Authority: DE
Inventors: Alina Mager; Bernd Stuke; Jens-Peter Nagel; Malte Bickelhaupt; Robin Putzi; Uwe Iben; Volker Beuche; Martin Bruchner; Thomas Hofmann; Valentin Paal
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2019-11-21
Also published as: FR3081110A1; WO2019219716A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls mit einer Düse (1), die einen Düsenkörper (2) mit einem darin ausgebildeten Druckraum (4) umfasst, der mit einem Fluid unter hohem Druck befüllbar ist. Im Druckraum (4) ist längsverschiebbar eine Düsennadel (5) angeordnet, die mit einem im Düsenkörper (2) ausgebildeten Düsensitz (6) zum Steuern des Zuflusses von Fluid aus dem Druckraum (4) zu wenigstens einem Spritzloch (9) zusammenwirkt, wobei das wenigstens Spritzloch (9) eine kreisrunde Eintrittsöffnung (109) und eine kreisrunde Austrittsöffnung (209) aufweist.Die Eintrittsöffnung (109) ist verrundet ausgebildet und das Spritzloch (9) weist eine konische Form auf, so dass sich der Durchmesser des Spritzlochs (9) von der Eintrittsöffnung (109) zur Austrittsöffnung (209) kontinuierlich verringert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls, wie sie vorzugsweise verwendet wird, um damit Werkstücke zu bearbeiten oder zu zerteilen.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls bekannt, meist eines Hochdruckwasserstrahls. Dazu wird auf einen hohen Druck verdichtetes Wasser einer Düse zugeführt und über eine Düsenöffnung ausgepritzt. Dabei bildet sich ein Hochdruckwasserstrahl, der aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Wasserpartikel auch harte Gegenstände zu zerteilen vermag, insbesondere Keramik, Stahl oder sonstige harte Körper. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2014 225 247 A1 bekannt. Das Spritzloch ist dabei als Bohrung im Düsenkörper ausgebildet, durch die das verdichtete Wasser bzw. das sonstige Fluid hindurchtritt und dabei einen Hochdruckfluidstrahl bildet. Nach dem Austritt aus dem Spritzloch bricht der Hochdruckfluidstrahl in einem gewissen Abstand zur Düse langsam auf, so dass der Impuls des Hochdruckfluidstrahls abnimmt und damit auch seine Fähigkeit, Gegenstände zu bearbeiten oder zu zerteilen. Dies erschwert die Bearbeitung von dicken Werkstücken bzw. lässt die Schnittqualität schlechter werden, je tiefer der Hochdruckfluidstrahl in das Werkstück eindringen muss.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Hochdruckfluidstrahl mit einer längeren Reichweite erzeugt wird, so dass das Zerteilen bzw. Bearbeiten von Werkstücken auch über eine große Eindringtiefe möglich ist, ohne dass die Schnittqualität bzw. die Bearbeitungsqualität des Hochdruckfluidstrahls dabei wesentlich mit der Tiefe abnimmt. Dazu weist die Vorrichtung eine Düse mit einem Düsenkörper auf und einem darin ausgebildeten Druckraum, der mit einem Fluid unter hohem Druck befüllbar ist. Im Druckraum ist eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, die mit einem im Düsenkörper ausgebildeten Düsensitz zum Steuern des Zuflusses von Fluid aus dem Druckraum zu wenigstens einem Spritzloch zusammenwirkt, wobei das wenigstens eine Spritzloch eine kreisrunde Eintrittsöffnung und eine kreisrunde Austrittsöffnung aufweist. Die Eintrittsöffnung ist dabei verrundet ausgebildet und das Spritzloch weist eine konische Form auf, sodass sich der Durchmesser des Spritzlochs von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung kontinuierlich verringert.
Durch die Verrundung des Spritzlochs tritt das Hochdruckfluid aus dem Druckraum mit einer relativ gleichmäßigen Strömung in das Spritzloch ein, sodass es zu wenig Verwirbelungen kommt und damit auch die Gefahr von Kavitation vermindert wird. Im weiteren Verlauf des Spritzlochs verringert sich dessen Durchmesser, was einerseits zu einer Beschleunigung der Strömung führt, andererseits jedoch die Strömung beruhigt, da mit dem verringerten Durchmesser ein erhöhter Strömungswiderstand verbunden ist. Dadurch bildet sich ein relativ enger, aber weit reichender Hochdruckfluidstrahl, der erst in einem relativ großen Abstand zur Düse aufbricht und damit seinen Impuls verringert. Durch diese höhere Eindringtiefe lässt sich auch ein relativ dickes Werkstück bearbeiten bzw. zerteilen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Spritzloch an seiner Eintrittsöffnung eine Verrundung mit einem Radius auf, wobei das Verhältnis von Rundungsradius zum Eintrittsdurchmesser mindestens 0,1 beträgt. Durch diesen relativ großen Rundungsradius wird das einströmende Fluid beruhigt und es wird verhindert, dass sich Turbulenzen und Kavitationsblasen bilden, die zu einem vorzeitigen Aufbruch des Hochdruckfluidstrahls nach seinem Austritt aus dem Spritzloch führen könnten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Länge des Spritzlochs gemessen in Längsrichtung des Spritzlochs von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung 1,0 bis 2,5 mm. Durch dieses relativ lange Spritzloch wird eine weitere Beruhigung des durchströmenden Fluids erreicht und damit eine große Aufbruchlänge, d.h. ein großer Abstand des Punktes von der Düse, an dem der Hochdruckfluidstrahl soweit aufbricht, dass die gewünschte Schneid- oder Bearbeitungswirkung nicht mehr erzielt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Differenz der Durchmesser von Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung des Spritzlochs wenigstens 15 µm, bevorzugt wenigstens 30 µm. Die dadurch bedingte Konizität des Spritzlochs bewirkt eine Beschleunigung der Fluidströmung innerhalb des Spritzlochs, was mit einem gewissen Druckverlust einhergeht, jedoch stellt diese Konizität einen Kompromiss zwischen einem erhöhten Strömungswiderstand und zwischen dem Gewinn an Geschwindigkeit und damit Impuls des eingespritzten Fluids.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind wenigstens zwei Spritzlöcher im Düsenkörper ausgebildet. Die beiden Spritzlöcher können entweder parallel zueinander sein oder auch einen Winkel einschließen, der größer als 0° ist. Auf diese Weise lassen sich mehrere Einspritzstrahlen erzeugen, die zeitgleich auf das Werkstück auftreffen. Durch die Anordnung der Spritzstrahlen und ihres Winkels zueinander lässt sich so die Einspritzdüse auf die gewünschte Aufgabe optimieren, also beispielsweise darauf, einen möglichst großen Bereich des Werkstücks zu beaufschlagen, was die Bearbeitungsgeschwindigkeit insbesondere dann erhöht, wenn eine Oberfläche bearbeitet - beispielsweise entschichtet - werden soll. Wenn zwei Spritzlöcher in Bearbeitungsrichtung hintereinander angeordnet sind, kann es auch vorgesehen sein, dass ein Spritzloch der Vorbearbeitung des Werkstücks dient, während das zweite, nachfolgende Spritzloch zur Fertigbearbeitung oder zur Erreichung noch größerer Schnitttiefen dient.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Durchmesser der Eintrittsöffnung des Spritzlochs 80 bis 200 µm, was einen ausreichend großen Fluidstrom durch das Spritzloch erlaubt, bei gleichzeitig hohen Impulskräften, was für das Zerteilen eines Werkstücks wichtig ist.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt

1 eine Gesamtansicht der Vorrichtung in einer schematischen Darstellung, wobei nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind,
2 eine vergrößerte Darstellung der Einspritzdüse im Bereich des Spritzlochs, ebenso wie
3 eines weiteren Ausführungsbeispiels,
4 eine weitere Vergrößerung des Spritzlochs und seiner Abmessungen,
5a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse und
5b eine Draufsicht auf dieselbe Düse,
6a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse und
6b eine Draufsicht auf den entsprechenden Düsenkörper,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Adapterkörper zur Zuführung eines abrasiven Mediums und
8 eine qualitative Darstellung des Impulses des Hochdruckfluidstrahls als Funktion des Abstandes von der Düse.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Düse 1 mit einem Düsenkörper 2, in dem ein Druckraum 4 mit einer Längsachse 8 ausgebildet ist. Der Druckraum 4 kann über eine Hochdruckleitung 18 mit einem Fluid unter hohem Druck befüllt werden. Das unter Hochdruck stehende Fluid wird aus einem Tank 15 und einer Ansaugleitung 17 entnommen und einer Hochdruckpumpe 16 zugeführt, die das Hochdruckfluid verdichtet und über die Hochdruckleitung 18 in den Druckraum 4 leitet. Innerhalb des Druckraums 4 ist eine kolbenförmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die an einem Ende eine Dichtfläche 7 aufweist, die im Wesentlichen konisch ausgebildet ist. Die Düsennadel 5 wirkt mit der Dichtfläche 7 mit einem ebenfalls konischen Düsensitz 6 zusammen und öffnet und verschließt durch ihre Längsbewegung einen Strömungsquerschnitt zwischen dem Düsensitz 6 und der Dichtfläche 7. Alternativ sind auch andere Formen von Düsennadel 5 und Düsensitz 6 denkbar, beispielsweise ein Flachsitz oder ein Kugelventil. Dem Düsensitz 6 abgewandt ist im Düsenkörper 2 ein Spritzloch 9 ausgebildet, das eine Eintrittsöffnung 109 und eine Austrittsöffnung 209 aufweist. Das aus dem Spritzloch 9 austretende Hochdruckfluid bildet einen Hochdruckfluidstrahl 20, der auf ein entsprechendes Werkstück 22 gerichtet werden kann, um dieses zu bearbeiten, insbesondere zu zerteilen, wie in 1 dargestellt.
Die Düsennadel 5 ist in einem der Dichtfläche 7 abgewandten Bereich innerhalb des Druckraums 4 geführt und wird durch eine vorgespannte Schließfeder 25 in Richtung des Düsensitzes 6 mit einer Schließkraft beaufschlagt. Zur Bewegung der Düsennadel 5 in ihrer Längsrichtung dient ein Elektromagnet 26, der innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist und der durch seine Bestromung eine Kraft in Längsrichtung auf die Düsennadel 5 entgegen der Kraft der Schließfeder 25 ausübt, sodass durch Bestromen und Nichtbestromen des Elektromagneten 26 die Längsbewegung der Düsennadel 5 gesteuert werden kann. Alternativ kann auch ein anderer elektrischer oder hydraulischer Antrieb der Düsennadel 5 vorgesehen sein, beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb. Der Hochdruckfluidstrahl 20 trifft in einem Abstand a auf das Werkstück 22.
In 2 ist der Bereich des Düsenkörpers 2 im Bereich des Spritzlochs 9 nochmals vergrößert dargestellt. Das Spritzloch 9 weist eine konische Form auf, d.h. der Durchmesser der Eintrittsöffnung 109 ist größer als der Durchmesser der Austrittsöffnung 209. Nur bei vom Dichtsitz 6 abgehobener Düsennadel 5 tritt unter Hochdruck stehendes Fluid aus dem Druckraum 4 in das Spritzloch 9 ein. Durch den sich im Verlauf des Spritzlochs 9 verringernden Durchmesser von der Eintrittsöffnung 109 bis zur Austrittsöffnung 209 beschleunigt sich das Hochdruckfluid innerhalb des Spritzlochs und vergrößert so seinen Impuls. Der mit der Konizität des Spritzlochs 9 einhergehende erhöhte Strömungswiderstand führt zwar zu einer Verringerung des effektiv zur Verfügung stehenden Einspritzdrucks an der Austrittsöffnung 209 des Spritzlochs 9, jedoch bewirkt die Form des Spritzlochs 9 mit der Konizität und der relativ großen Länge, die später noch erläutert wird, eine Verstetigung der Strömung und damit einen hohen Impuls des austretenden Hochdruckfluidstrahls 20.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Düse 1 bzw. des Spritzlochs 9 eines weiteren Ausführungsbeispiels. Das Spritzloch 9 ist hierbei nicht auf der Längsachse 8 der Düsennadel 5 angeordnet, sondern in einem Winkel dazu und geht seitlich vom Düsenkörper 2 ab. Dadurch lässt sich ein Hochdruckfluidstrahl 20 erzeugen, der schräg zur Längsachse 8 des Düsenkörpers 2 bzw. der Düsennadel 5 ausgebildet ist, was insbesondere zur Bearbeitung von Seitenflächen eines Werkstücks, von Vorteil sein kann.
In 4 ist ein Spritzloch 9 nochmals vergrößert dargestellt. Das Spritzloch 9 ist an seinem Einlauf im Bereich der Eintrittsöffnung 109 verrundet ausgebildet, wobei die Einlaufkante einen Rundungsradius r aufweist. Dieser Rundungsradius r ist in vorteilhafter Weise so groß, dass das Verhältnis von Rundungsradius r und Durchmesser der Eintrittsöffnung d_e mindestens 0,1 beträgt. Anschließend an die verrundete Einlaufkante ist das Spritzloch 9 konisch ausgebildet, wobei die Eintrittsöffnung 109 den Beginn des konischen Abschnitts des Spritzlochs 9 markiert. Bei einem Durchmesser der Eintrittsöffnung 109 von beispielsweise 200 µm ergibt sich damit ein Rundungsradius von wenigstens 20 µm, wobei auch größere Rundungsradien möglich sind. Durch die Rundung am Eintritt des Spritzlochs 9 ergibt sich eine laminare Strömung innerhalb des Spritzlochs 9, und damit werden Kavitationen und andere Verwirbelungen beim Eintritt des Hochdruckfluids in das Spritzloch 9 verhindert. Im weiteren Verlauf der Strömung durch das Spritzloch 9 wird durch den abnehmenden Durchmesser des Spritzlochs 9 eine Beschleunigung der Fluidströmung erreicht, so dass an der Austrittsöffnung 209 ein relativ hoher Impuls vorliegt. Die Länge L des Spritzlochs 9, gemessen von der Eintrittsöffnung 109 bis zur Austrittsöffnung 209, beträgt in vorteilhafter Weise 1,0 bis 2,5 mm. Durch diese relativ große Länge ergibt sich eine Beruhigung der Strömung innerhalb des Spritzlochs 9 und damit ein hoher Impuls des Hochdruckfluidstrahls, was mit einer hohen Eindringtiefe einhergeht. Unter Eindringtiefe wird hierbei der Abstand verstanden, bis zu dem der Hochdruckfluidstrahl 20 nicht durch Luftreibung und weitere Verwirbelungen aufgebrochen ist, d.h. bis dem ein gebündelten Strahl vorhanden ist, mit dem sich ein Werkstück präzise bearbeiten lässt. Dazu zeigt 8 den qualitativen Verlauf des Impulses p eines Hochdruckfluidstrahls 20, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, hier im Verlauf mit B gekennzeichnet, und den Verlauf des Impulses p im Abstand a vom Spritzloch 9 eines Hochdruckfluidstrahls 20, wie er aus der erfindungsgemäßen Düse austritt, hier mit A bezeichnet. Wie man an dem Diagramm erkennt, ist der Impuls p des Hochdruckfluidstrahls bei der erfindungsgemäßen Düse noch in einem größeren Abstand von der Düse ausreichend hoch und damit der Hochdruckfluidstrahl relativ scharf gebündelt, während bei den sonst bekannten Düsen relativ rasch eine Abnahme des Impulses p und damit ein Aufbruch des Hochdruckfluidstrahls erfolgt.
In 5a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Düse der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die hier gezeigte Düse weist im Düsenkörper 2 drei Spritzlöcher 9 auf, die in einer Ebene angeordnet sind, wobei benachbarte Spritzlöcher einen Winkel α miteinander einschließen, der größer als 0° ist. Die Spritzlöcher 9 sind hier ebenfalls konisch ausgebildet und ihre Anordnung ist in 5b in einer Draufsicht auf den Düsenkörper 2 nochmals dargestellt. Die aus den Spritzlöchern 9 austretenden Hochdruckfluidstrahlen 20 sind damit fächermäßig angeordnet und erlauben es, einen relativ großen Bereich des Werkstücks 22 gleichzeitig zu bearbeiten. Insbesondere dann, wenn mit den Hochdruckfluidstrahlen 20 keine Zerteilung des Werkstücks 20 beabsichtigt ist, sondern eine Bearbeitung der Oberfläche stattfinden soll, beispielsweise ein Entschichten, kann so gleichzeitig ein relativ großer Bereich des Werkstücks 22 bearbeitet werden, was die Bearbeitungszeit entsprechend verringert.
In 6a ist eine weitere Düse der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei hier exemplarisch insgesamt 18 Spritzlöcher 9 im Düsenkörper 2 ausgebildet sind, wie dies in 6b nochmals in einer Draufsicht auf den Düsenkörper 2 gezeigt ist. Die Spritzlöcher 9 sind hier ebenfalls konisch ausgebildet und ergeben damit ein Bündel an Hochdruckfluidstrahlen 20, mit dem sich ein großer Bereich des Werkstücks 22 gleichzeitig bearbeiten lässt, was sich wiederum eher zum Entschichten oder Reinigen der Werkstückoberfläche eignet.
In 7 ist die Düse 1 eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Düsenkörper 2 ist hier an seinem spritzlochseitigen Ende von einem Adapterkörper 11 umgeben. Im Adapterkörper 11 ist eine Mischkammer 13 ausgebildet, in die über einen Zuführkanal 12 ein abrasives Medium zugegeben werden kann. Der aus dem Spritzloch 9 austretende Hochdruckfluidstrahl 20 vermischt sich so innerhalb der Mischkammer 13 mit dem abrasiven Medium, so dass der mit dem abrasiven Medium vermischte Hochdruckfluidstrahl 20 durch eine Bohrung 14 des Adapterkörpers 11 austritt. Durch die mitgerissenen abrasiven Partikel des abrasiven Mediums erhöht sich die Schneidwirkung des Hochdruckfluidstrahls 20 beträchtlich, wobei als abrasives Medium beispielsweise Quarzsand verwendet werden kann oder ein anderes feinkörniges Material hoher Härte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014225247 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls mit einer Düse (1), die einen Düsenkörper (2) mit einem darin ausgebildeten Druckraum (4) umfasst, der mit einem Fluid unter hohem Druck befüllbar ist, und mit einer im Druckraum (4) längsverschiebbar angeordneten Düsennadel (5), die mit einem im Düsenkörper (2) ausgebildeten Düsensitz (6) zum Steuern des Zuflusses von Fluid aus dem Druckraum (4) zu wenigstens einem Spritzloch (9) zusammenwirkt, wobei das wenigstens Spritzloch (9) eine kreisrunde Eintrittsöffnung (109) und eine kreisrunde Austrittsöffnung (209) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (109) verrundet ausgebildet ist und das Spritzloch (9) eine konische Form aufweist, so dass sich der Durchmesser des Spritzlochs (9) von der Eintrittsöffnung (109) zur Austrittsöffnung (209) kontinuierlich verringert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung einen Radius (r) aufweist, wobei das Verhältnis von Rundungsradius (r) zum Eintrittsdurchmesser (d_e) mindestens 0,1 beträgt (r/d_e ≥ 0,1).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) des Spritzlochs (9), gemessen in Längsrichtung des Spritzlochs (9) von der Eintrittsöffnung (109) zur Austrittsöffnung (209), 1,0 bis 2,5 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Durchmesser (d_a; d_e) von Eintrittsöffnung (109) und Austrittsöffnung (209) wenigstens 15 µm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Durchmesser (d_a; d_e) von Eintrittsöffnung (109) und Austrittsöffnung (209) wenigstens 30 µm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Spritzlöcher (9) im Düsenkörper (2) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (10) der Spritzlöcher (9) einen Winkel größer als 0° miteinander einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d_e) der Eintrittsöffnung (109) 80 bis 200 µm beträgt.