DE69809053T2

DE69809053T2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines hochgeschwindigkeitspartikelstroms

Info

Publication number: DE69809053T2
Application number: DE69809053T
Authority: DE
Inventors: T. Coogan; L. Madonna; H. Pao
Original assignee: Waterjet Technology Inc
Current assignee: Waterjet Technology Inc
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: ES2186188T3; US6283833B1; BR9811100A; CN1263487A; DE69809053D1; NO20000110L; PL187868B1; JP2001509434A; GEP20012468B; IL133718A; BG104067A; CA2295855A1; NZ502746A; PL338000A1; PT994764E; IL133718A0; ID24251A; AU8480998A; EE200000006A; CA2295855C

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitspartikelstroms, der für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten zu verwenden ist, unter anderem zur Oberflächenbearbeitung, für Schneid- und Trennprozesse sowie für Lackierarbeiten.

Hintergrund der Erfindung

In der Schrift US-A-4 125 969 wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitspartikelstroms offengelegt, wobei die Partikel zunächst durch einen Gas- und danach durch einen Wasserstrom beschleunigt werden.
Die Erzeugung von Hochgeschwindigkeitspartikelströmen zur Oberflächenbearbeitung, beispielsweise zum Entfernen von Beschichtungen, Rost und Walzzunder von Schiffsrümpfen, Vorratsbehältern, Pipelines usw., wird traditionellerweise dadurch realisiert, daß man Partikel in einen Hochgeschwindigkeitsgasstrom (beispielsweise einen Luftstrom) einbringt und diesen über eine Beschleunigungsdüse auf das abrasiv zu bearbeitende Zielobjekt richtet. Solche Systeme arbeiten in der Regel druckluftbetrieben und umfassen einen Luftverdichter, einen Behälter für die Abriebpartikel, ein Meßinstrument zur Kontrolle des Partikel-Masse-Stroms, einen Schlauch für den Transport des Luft-Partikel-Stroms und eine Direkt- oder Entspannungsdüse.
Die Erzeugung von Hochgeschwindigkeitspartikelströmen zum Schneiden von Materialien, beispielsweise das "kalten Trennen" (im Gegensatz zum Schneiden mittels Brenner, Plasma oder Laser, wo es sich um thermische Verfahren, also "heiße Trennprozesse" handelt) von Legierungen, Keramik, Glas und Laminatmaterialien, wird traditionellerweise dadurch realisiert, daß man Partikel in einen Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrom (beispielsweise einen Wasserstrahl) einbringt und diesen über eine Fokussierdüse auf das zu bearbeitende Zielobjekt richtet. Solche Systeme werden in der Regel mittels Hochdruckwasser betrieben und umfassen eine Hochdruck-Wasserpumpe, einen Behälter für die Abriebpartikel, ein Meßinstrument zur Kontrolle des Partikel-Masse-Stroms, einen Schlauch für den Transport der Partikel, einen Schlauch für den Transport des Hochdruckwassers und eine konvergierende Düse, in der ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl gebildet wird, durch den der Partikelstrom beschleunigt und auf das zu bearbeitende Zielobjekt aufgebracht wird.
Unabhängig davon, ob der Partikelstrom zur Oberflächenbearbeitung oder zum Trennen verwendet wird, ist der dem Fachmann als "Mikrobearbeitung" bekannte Wirkungsmechanismus im Prinzip derselbe. Weitere Effekte treten auf, sind jedoch absolut zweitrangig. Die prinzipiellen Mechanismen der Mikrobearbeitung sind einfach. Ein Abriebpartikel mit einem Impuls (I), der das Produkt aus der Masse (m) des Partikels und seiner Geschwindigkeit (v) ist, tritt auf einer Zieloberfläche auf. Beim Auftreffen entsteht durch die in Abhängigkeit von der Zeit auftretende Impulsveränderung (m · dv/dt) eine Kraft (F). Wenn diese Kraft auf die kleine Oberfläche eines scharfkantigen Partikels wirkt, nehmen lokal die Druck-, Spannungs- und Abriebkräfte zu, und zwar in einem solchen Maße, daß sie deutlich über den kritischen Materialeigenschaften liegen, und es kommt zu dem lokalen Zerstören und Entfernen von Material, das heißt, der gewünschte Effekt der Mikrobearbeitung wird erreicht.
Wie durch die obigen Erläuterungen nachgewiesen wird, sind wesentliche Verbesserungen bei der Abrieb- und Trennwirkung nur durch einen Anstieg der Geschwindigkeit des Partikelstroms zu erreichen, denn die spezifische Schwerkraft der wirtschaftlich bedeutsamen Abrasivpartikel bewegt sich innerhalb eines eng begrenzten Bereichs. Zweitens ist nicht allein die Geschwindigkeit bedeutsam. Bei Oberflächenbearbeitungen müssen die Partikel darüber hinaus in einem gleichförmigdiffusen Muster auf der Oberfläche auftreffen. Das heißt, ein stark fokussierter Strom würde nur einen sehr kleinen Bereich bearbeiten können, so daß zur Bearbeitung einer bestimmten Oberflächengröße eine Vielzahl von Arbeitsstunden und große Mengen Abrasivmittel erforderlich wären. Drittens sollten die Partikel idealerweise ausschließlich auf die zu behandelnde Oberfläche, nicht aber aufeinander auftreffen. Bei Trennarbeiten ist jedoch eine Fokussierung des Partikelstroms wünschenswert, um eine tiefergründige Erosionswirkung zu erreichen, tiefer in das Material eindringen zu können und (bei einigen Anwendungen) das Material zu durchtrennen.
Der Fachmann ist bei der Bearbeitung von Oberflächen und bei der Ausführung von Trennarbeiten mit Hilfe eines Partikelstroms mit einer Reihe von Herausforderungen konfrontiert, insbesondere, wenn er das hierfür angewandte Verfahren bzw. die hierfür angewandte Vorrichtung perfektionieren möchte. Erstens kann die Anzahl der Partikel je zu bearbeitender Fläche sehr hoch sein, was wiederum nicht nur mit höheren Kosten der Bearbeitung, sondern auch mit höheren Reinigungs- und Entsorgungskosten verbunden ist.
Zweitens führt die Verwendung von Abriebpartikeln bei dem hierin beschriebenen Trockenblasverfahren zur Entstehung gewaltiger Staubmengen, die sowohl von den Partikeln selbst, als auch von der Pulverisierung des Zielmaterials beim Auftreffen der Partikel herrühren. Dieser Staub ist in höchstem Maße unerwünscht, denn er stellt eine Gefahr für Gesundheit und Umwelt dar. Außerdem beeinträchtigt diese Staubentwicklung die Sicherheit und den Betrieb der in der Nähe befindlichen Maschinen und Anlagen. Zur Verbesserung dieser Situation wird bei einigen Systemen unter niedrigem Druck stehendes Wasser zugeführt, um die Partikel unmittelbar vor der Strahlwirkung der Düse anzufeuchten. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch mit der unerwünschten Nebenwirkung verbunden, daß die Geschwindigkeit der Abriebpartikel reduziert wird, was wiederum deren Wirksamkeit bei der Erfüllung ihrer eigentlichen Zweckbestimmung (das heißt, dem Entfernen von Beschichtungen bzw. dem Durchtrennen von Material) vermindert. Die Zugabe von Wasser führt zu einem weiteren unerwünschten Effekt: Die Abriebpartikel haben eine verstärkte Neigung, sich zu sammeln und Klumpen zu bilden, was ihre Wirksamkeit ebenfalls deutlich beeinträchtigt. Nach übereinstimmender Auffassung in der Branche ist es nicht möglich, daß Wasser zu einem Trockenluft- Partikel-Strom hinzugefügt wird, ohne die Geschwindigkeit der Partikel zu verringern. In umfangreichen Tests wurde diese Meinung untermauert. Bisher ist zur Unterdrückung von Staubbildungen diese Hinzufügung von Wasser essentiell notwendig. Sie kann jedoch nur ein Hilfsmittel sein, um die geltenden Umwelt-, Gesundheits- und Arbeitsschutzbestimmungen einzuhalten.
Drittens erfordern die derzeit verfügbaren Abrieb-Trennsysteme (die auf der Wirkung von Abriebpartikeln basieren, um geringerwertige Materialien wie Stahl, Zement, Holz usw. zu trennen) im Verhältnis zu anderen Trennverfahren einen wesentlich höheren Leistungsaufwand als andere verfügbare Verfahren, beispielsweise das Trennen mit Hilfe eines Brenners, mit Hilfe von Plasma- oder Lasereinheiten oder mittels Diamantschneidern. Das heißt: Die Nachteile der Abrieb- Trennsysteme gegenüber anderen Verfahren liegen weniger in der Effizienz der Trennwirkung, als vielmehr in der Höhe der Kosten. Luft- und Wasserstrahl-Trennsysteme erfordern im Vergleich zu anderen Systemen eine wesentlich höhere Leistungsaufnahme, was ihren Einsatz in den meisten Anwendungsbereichen aus Kostengründen ausschließt, abgesehen von besonderen Situationen, in denen ein Kalttrennen oder eine Oberflächenbearbeitung thermisch empfindlicher Materialien erforderlich ist.
Folglich ist der Fachmann mit dem Problem konfrontiert, ein Verfahren und eine Vorrichtung entwickeln zu müssen, mit der ein gleichmäßig verteilter, diffuser Strom von Abriebpartikeln auf eine zu reinigende Oberfläche gerichtet wird (oder ein fokussierter Strom von Abriebpartikeln wird auf eine abzutrennende Oberfläche gerichtet), wobei ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung durch eine geringstmögliche Leistungsaufnahme gekennzeichnet sein müssen, ohne daß inakzeptable Mengen von Staub an die Luft abgegeben werden.
Die einfachste Lösung, eine Erhöhung der Partikelgeschwindigkeit, ist problematisch. Nach konventioneller Art und Weise erfolgt diese Geschwindigkeitserhöhung durch Einbringen der Partikel in Luft. Zur Beschleunigung von Partikeln über eine kurze Entfernung ist Luft jedoch ein ineffektives Medium, da sie durch eine relativ niedrige Dichte gekennzeichnet ist und in der Praxis die Länge einer vom Benutzer einzusetzenden Misch- und Beschleunigungsdüse begrenzt ist. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit können die Partikel nicht mehr zusammen mit der Luft beschleunigt werden, sondern bewegen sich in einem Nachstrom langsamer als die Luft. Die Geschwindigkeit der durch den Luftstrom angetriebenen Partikel wird weiter dadurch reduziert, daß häufig dem Luft-Partikel-Strom Wasser beigemischt werden muß, um zur Verminderung von Staubbildungen den Strom anzufeuchten. Dieses Wasser führt nach der Beimischung zum Partikel-Luft-Strom zu einer weiteren, häufig, bedeutenden, Verringerung der Geschwindigkeit des Stroms.
Folglich würde mit der Entwicklung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung, das bzw. die zur Erzeugung eines gleichmäßig verteilten, diffusen Stroms von Partikeln auf eine zu reinigende Oberfläche oder eines fokussierten Stroms auf eine zu trennende Oberfläche bei höchstmöglicher Partikelgeschwindigkeit, geringstmöglicher Leistungsaufnahme und ohne Erzeugung inakzeptabler Staubentwicklungen dient, ein dringendes Problem auf diesem Fachgebiet gelöst werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist in den unabhängigen Patentansprüchen 1, 3, 7, 13 und 16 definiert. Die abhängigen Patentansprüche 2, 4-6, 8-12, 14, 15 und 17-22 beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Die hiermit beschriebene Vorrichtung und das hiermit beschriebene Verfahren zeichnen sich gegenüber den aktuell verfügbaren Systemen durch eine Reihe von Vorteilen aus. Wiederum besteht das zentrale Problem, mit dem Fachleute auf diesem Gebiet konfrontiert sind, darin, die Partikel bei geringstmöglichem Energieeinsatz auf ihre höchstmögliche praktische Geschwindigkeit zu beschleunigen, wobei eine Vorrichtung mit praktikablen Abmessungen zu verwenden ist. Erstens erreicht die vorliegende Erfindung dieses Ziel durch eine Maximierung der Partikelgeschwindigkeit bei einer relativ geringen Leistungsaufnahme und innerhalb einer Ausführungsform von praktikabler Größe. Die Abriebpartikel werden mit dieser Erfindung im Vergleich zu konventionellen Systemen bei einer wesentlich geringeren Leistungsaufnahme auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt.
Ein zweiter Vorteil der vorliegenden Erfindung betrifft, Ausführungsformen, die zur Bearbeitung von Oberflächen sowie zum Entfernen von Schichten dienen, und besteht in der gleichmäßigen Partikelverteilung. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche, die je Mengeneinheit Abriebstoff bearbeitet werden kann. Das Ergebnis: Eine höhere Produktivität und geringere Kosten je Einheit der bearbeiteten Fläche, ein geringerer Verbrauch an Abriebstoffen und damit niedrigere Reinigungs- und Entsorgungskosten. (Bei Abriebstoffen, die gefährliche Materialien enthalten, können beträchtliche Entsorgungskosten entstehen.)
Diese Vorteile werden mit der vorliegenden Erfindung durch verschiedene Ausführungsformen erreicht, bei denen ein starker Wirbel ausgelöst wird, wodurch zusätzlich zu demnach vorn auf die Partikel gerichteten axialen Impuls ein kontrollierter radialer Impuls entsteht. Dies führt zu einer kontrollierten Verbreitung jener Partikel, die die Mischkammer verlassen. Folglich ist eine größere Oberfläche dem Abriebpartikelstrom ausgesetzt, was zu einer höheren Produktivität und niedrigeren Kosten bei der Oberflächenbearbeitung und zum einem geringeren Verbrauch an Abriebstoffen je bearbeiteter Oberflächeneinheit führt.
Ein dritter Vorteil der vorliegenden Erfindung betrifft Trenn- und Reinigungsarbeiten unter Wasser bzw. im allgemeinen in Situationen, in denen der aus der Kammer abgegebene Hochgeschwindigkeitspartikelstrom während der Bewegung auf das Zielobjekt ein anderes Medium als Gas oder Luft passieren muss. Fachleuten auf diesem Gebiet ist hinreichend bekannt, daß die Wirksamkeit eines Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahls und -partikelstroms bei Reinigungs- und Trennarbeiten unter Wasser mit zunehmender Entfernung zwischen Düsenausgang und Zielobjekt deutlich sinkt. Der Grund hierfür liegt in dem flüssigen Medium, beispielsweise Wasser, begründet, dessen Dichte um das 800fache über der von Luft liegt. Konventionelle Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen, die auf dem Weg zu ihrem beabsichtigten Ziel solche Medien durchdringen müssen, werden von dem umgebenden Wasser eingeschlossen. Folglich verlieren die Strahlen selbst bei einem Abstand von beispielsweise nur 15 cm zum Zielobjekt viel von ihrer Energie und Wirksamkeit bei der Ausführung jener Reinigungs- und Trennaufgaben, für die sie eigentlich vorgesehen sind. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die Luft von der Kammer in einer verwirbelten Art und Weise abgegeben, so daß sich vorn Kammerausgang her eine rotierende, gleichzeitig jedoch stabilisierte Gaszone bildet. Zwischen Düse und Ziel entsteht eine lokalisierte Luftumgebung in der Form einer stabilisierten, sich drehenden, wirbelgetriebenen Lufttasche. Folglich können Hochgeschwindigkeitspartikelströme und -wasserstrahlen diese stabilisierte Lufttasche passieren, und es wird unter Wasser eine einzigartige Trenn- und Reinigungswirkung erreicht, die mit den Ergebnissen einer Reinigung in der Luft zu vergleichen sind.
Ein vierter Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mit ihr die Entstehung der durch Staub und ähnliche Stoffe verursachten Gefahren auf den Gebieten Umwelt-, Arbeits- und Gesundheitsschutz verringert wird, die bei der Oberflächenbearbeitung mit Hilfe eines trockenen Partikelstroms (allgemein als "Sandstrahlen" bezeichnet) unumgänglich sind. Vom Sandstrahlen ist allgemein bekannt, daß dabei Staubwolken entstehen, die sich kilometerweit verbreiten können und die klein genug sind, um bei Einatmung erhebliche Gesundheitsgefahren sowie Augenirritationen hervorzurufen, wovon nicht nur der Bediener der Anlage, sondern auch sich in der Umgebung aufhaltende Personen betroffen sein können. Dieser Staub enthält nicht nur pulverisierte Abriebpartikel, sondern kann auch Materialpartikel enthalten, die von der bearbeiteten Oberfläche entfernt wurden. In diesem Staub können beispielsweise Pigmente und andere auf Oberflächenkorrosion und Schutzmittel zurückzuführende Bestandteile enthalten sein, die unter Umständen vor vielen Jahren aufgetragen wurden und vielleicht schon lange verboten sind. Das trockene Sandstrahlen wird durch Umwelt- und Gesundheitsschutzbehörden streng überwacht und gesetzlich geregelt. Es ist jedoch (mit Ausnahme der vorliegenden Erfindung) alternativlos.
Bei konventionellen Systemen wird versucht, diese Probleme durch Verkleidung besser zu beherrschen. Das bedeutet, daß die Umgebung des Arbeitsortes, an dem die Sandstrahlarbeiten durchgeführt werden, mit großen Kunststoffbahnen verkleidet werden und innerhalb dieser Verkleidung ein im Vergleich zur Umwelt leicht negativer Druck erzeugt wird. Eine solche Vorgehensweise ist außerordentlich teuer. Das Bearbeiten einer typischen Oberfläche mittels Sandstrahlen kostet beispielsweise etwa $ 5,50/m²; bei einer Verkleidung der Umgebung steigen diese Kosten bis auf $ 22,00/m² an.
Durch die vorliegende Erfindung kann sowohl die Bildung, als auch die Freisetzung von Staub geregelt werden. Zunächst werden mit Wasserstrahlen von ultrahoher Geschwindigkeit alle Abriebpartikel, die in der zweiten Stufe beschleunigt werden sollen, gründlich angefeuchtet, so daß bei den Arbeiten am Düsenausgang und in der Flugbahn der Düsen zu der zu bearbeitenden Fläche praktisch kein Staub entsteht. Zweitens werden die abgegebenen Partikel von einem feinen Wassertropfenstaub begleitet, der beim Aufbrechen der Tropfen des mit ultrahoher Geschwindigkeit auftreffenden Wasserstrahls während der Interaktion der Partikel und der Luft in der Mischkammer entsteht. An der Quelle wäscht dieser Nebel alle Teilchen und Staubpartikel ab, die aufgrund des Auftreffens der Partikel und ihrer Desintegration auf dem Zielobjekt entstehen bzw. die von dem mikrobearbeiteten bzw. entfernten Zielmaterial herrühren.
Ein fünfter Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bei dem Verfahren und bei der Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ein deutlich niedrigerer Rückwärtsdruck generiert wird. Dies ist auf den wesentlich geringeren Massefluß der Partikel je Einheit gereinigter (oder durchtrennter) Oberfläche zurückzuführen, wo mit weniger, jedoch schnelleren Partikeln gearbeitet wird. Folglich ist der Einsatz der Vorrichtung für den Bediener mit geringeren Ermüdungserscheinungen verbunden, was wiederum zu sichereren Arbeitsbedingungen führen sollte. Außerdem wird auf diese Weise die Integration der vorliegenden Erfindung in preisgünstige automatisierte Systeme verantwortbar.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr in der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und Zeichnungen sowie in den anhängenden Patentansprüchen detaillierter beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehend genannten Aspekte sowie viele der damit verbundenen Vorteile dieser Erfindung werden bei der Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet werden. Dabei wird folgendes dargestellt:
Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Düse, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert.
Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung, welche die Innenmerkmale der in Fig. 1 dargestellten Düse zeigt, jedoch so stilisiert, daß die Geometrie der Düsenkammer sowie der Weg der Abriebpartikel durch diese Kammer verdeutlicht werden.
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung, welche die Innenmerkmale einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Auch diese Abbildung ist stilisiert, so daß die Geometrie der Düsenkammer sowie der Weg der Abriebpartikel durch diese Kammer verdeutlicht werden.
Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung einer Düse entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Transport von Abriebpartikeln über einen Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrom zum Zwecke der Bearbeitung bzw. des Trennens einer Oberfläche. Zunächst werden die Abriebpartikel (beispielsweise Quarzsand) einem unter Druck stehenden Gas (beispielsweise Luft) zugesetzt oder durch Induktion/Aspiration durch einen Schlauch transportiert, der in eine Düse mit einer "Hohlkammer" oder "Mischkammer" führt. An diesem Punkt liegt die Geschwindigkeit der Abriebpartikel bei etwa 660 bis 700 km/h, was der praktischen Höchstgeschwindigkeit sehr nahe kommt. Genauer ausgedrückt, ist Luft aufgrund ihrer geringen Dichte ein ungünstiges Medium für den Transport der Abriebpartikel. Das heißt: Über einem bestimmten Punkt hat ein weiterer Anstieg der Geschwindigkeit der Luft nur noch einen vernachlässigenswerten Effekt auf die Partikelgeschwindigkeit. Ungeachtet dessen ist Luft ein außerordentlich kostengünstiges Instrument zur Beschleunigung der Partikel auf etwa diese Geschwindigkeit; nicht jedoch darüber hinaus.
Nach dieser Beschleunigung der Partikel auf Ultraschallgeschwindigkeit (Grundlage für diesen Begriff ist die Geschwindigkeit des Schalls in der Luft) passiert der Luft-Partikel-Strom die Mischkammer, wo er auf eine oder mehrere Auslaßöffnungen trifft, über die Ultrahochgeschwindigkeits- Flüssigkeitsstrahlen (beispielsweise Wasserstrahlen) dem Luft-Partikel-Strom zugeführt werden. Der Wasserstrahl bzw. die Wasserstrahlen hat (haben) in Bezug auf die vorab beschleunigten Gasstrahlpartikel (die sich mit einer Geschwindigkeit zwischen 660 und 700 km/h bewegen) eine relative Geschwindigkeit von bis zu 4.390 km/h, weshalb die Partikel durch die stattfindende Impulsübertragung eine weitere Beschleunigung erfahren.
Die Zulauföffnungen für den Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl sind so positioniert, daß das Wasser relativ zu der durch den Luft-Partikel-Strom gebildeten Achse in einem obliquem Winkel auf den Strom auftrifft. Durch die Konvergenz des Wasserstrahls mit dem Luft-Partikel-Strom, durch die Innengeometrie der Mischkammer oder durch eine Kombination beider Faktoren kommt es innerhalb der Mischkammer zur Bildung einer Wirbelbewegung des Luft-Partikel-Wasser-Stroms. Dieser Wirbel bewirkt, daß die Abriebpartikel dank ihrer (relativ zum Wasser und zur Luft) größeren Masse aufgrund der Zentrifugalkraft, die eine kreisrunde Zone hoher Partikelkonzentration erzeugt, radial nach außen bewegt werden. Die Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen werden auf diese Zone gerichtet, so daß eine effiziente Impulsübertragung zu den Partikeln erfolgt, was zu einer effektiven Beschleunigung und einer maximierten Partikelgeschwindigkeit führt. Folglich erfüllt die Zuführung des Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahls drei Hauptfunktionen: (1) eine zweite Stufe der Beschleunigung der Partikel; (2) die Erzeugung eines Wirbels innerhalb des Luft-Partikel-Wasser- Strahls; und (3) die Erzeugung einer Zone einer hohen Partikelkonzentration zum Aufbau eines präferentiellen und effektiven Kontakts des Partikelstroms und der Ultrahochgeschwindigkeits- Wasserstrahlen, was zu einer effizienteren Beschleunigung und einer höheren Partikelgeschwindigkeit führt.
Außerdem wird in einigen bevorzugten Ausführungsformen die im Flüssigkeitsstrom erzeugte Wirbelbewegung durch Ausnutzung einer von mehreren Möglichkeiten verstärkt. In einer Ausführungsform passiert der Strom (nunmehr zusammengesetzt aus Luft, Partikeln und Wasser) einen Endabschnitt der Düse, wo er tangential eingeführter Luft ausgesetzt ist. Diese Luft kann in die Düsenkammer durch den negativen Druck einströmen, der aufgrund der im Strom ablaufenden Bewegungen in der Kammer erzeugt wurde. Alternativ hierzu kann die Luft auch dadurch in die Kammer eingeführt werden, daß ihr Druck höher als der atmosphärische Druck ist. In anderen Ausführungsformen wird der Innendurchmesser der Mischkammer verengt, um die radiale Geschwindigkeit der Partikel zu erhöhen und damit die Wirbelbewegung zu verstärken. In einer Teilgruppe dieser Ausführungsformen wird der Innendurchmesser der Mischkammer danach verbreitert, um eine gleichmäßige Partikelverteilung zu erreichen. Aus der Düse tritt dann ein Hochgeschwindigkeitsstrom gleichmäßig verteilter Abriebpartikel aus, die sich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen, auf die sie innerhalb von zwei Beschleunigungsstufen gebracht werden. Auf der ersten Stufe erfolgt die Beschleunigung durch ein Gas (Druckluft), auf der zweiten durch eine Flüssigkeit (Ultrahochdruckwasser). Mit einer solchen zweistufigen Beschleunigung unter Verwendung zweier unterschiedlicher Medien (eines Gases und einer Flüssigkeit) können nicht nur die grundsätzlichen Beschränkungen aufgehoben werden, die bei der Verwendung von Luft als Treibstoff für eine Beschleunigung der Partikel über 660 km/h gelten, sondern es wird auch eine Gesamt-Energieeffizienz erreicht, die im Vergleich mit einer ein- oder mehrstufigen Partikelbeschleunigung in einem einzelnen Medium (also entweder nur Gas oder nur eine Flüssigkeit) hervorragend ist.
Folglich ist der Betrag des Oberflächenabtrags (oder der Trennleistung) eine Funktion zweier breiter Gruppen von Parametern. Die erste Parametergruppe (neben den eigentlichen Abriebparametern) bezieht sich auf die ursprüngliche Luftgeschwindigkeit, mit der die Abriebpartikel in die Mischkammer transportiert werden, die Position und den Vinkel des Ultrahochgeschwindigkeits- Wasserstrahls oder der Wasserstrahlen, der bzw. die mit dem Luft-Partikel-Strom zusammenfällt (zusammenfallen) sowie ähnliche Parameter für die wirbelunterstützende Luftzufuhr (sofern in der jeweiligen Ausführungsform mit einer solchen Luftzufuhr gearbeitet wird). Die zweite Gruppe von Parametern bezieht sich auf die Geometrie der Mischkammer selbst. Beispielsweise kann an einem Ort innerhalb der Kammer ein kleiner Durchmesser zu bevorzugen sein, um die Drehgeschwindigkeit der Abriebpartikel und folglich die Interaktion mit dem Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahl bzw. den -Wasserstrahlen zu erhöhen. Stromabwärts könnte sich die Kammer dann wieder verbreitern, so daß es zu einer kontrollierten Verteilung des Partikelstroms kommt. Die Partikelgeometrie (die Innenradien) können für bestimmte Beträge und Geschwindigkeiten des Luft-Wasser-Partikel-Stroms experimentell optimiert werden.
Für die Zwecke dieser Beschreibung wird mit dem Begriff "oblique" eine Winkelgröße bezeichnet, die über 0 und unter 90 Grad liegt.
Für die Zwecke dieser Beschreibung wird mit dem Begriff "schräg" eine Winkelgröße bezeichnet, die über 0 und unter 90 Grad liegt, und zwar gemessen in einer anderen Achse relativ zu einem Winkel mit einer "obliquen" Dimension. Beispiel: Wenn ein durch zwei auf einer x-Achse liegende Objekte gebildeter Winkel eine "oblique" Dimension hat, kann ein Winkel, der durch zwei auf einer nicht parallel zur erstgenannten Achse verlaufenden Achse liegende Objekte gebildet wird, als "schräg" bezeichnet werden (sofern er zwischen 0 und 90 Grad groß ist).
Für die Zwecke dieser Beschreibung wird mit dem Begriff "Ultrahochdruck" auf einen bestimmten Pumpentyp verwiesen, mit dem Wasser im Bereich zwischen 1.034 bar (15.000 psi) und etwa 4.137 bar (60.000 psi) gefördert werden kann.
Der Begriff "Ultrahochgeschwindigkeit" bezieht sich auf die Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsstrahls (beispielsweise eines Wasserstrahls) mit einer Geschwindigkeit zwischen 660 km/h und rund 4.390 km/h.
Für die Zwecke dieser Beschreibung wird mit dem Begriff "Abriebpartikel" allgemein ein Partikeltyp bezeichnet, der bei Strahlarbeiten zum Entfernen bestimmter Stoffe von einem Objekt genutzt wird. Zu den häufig verwendeten Substanzen gehören Quarzsand, Kohlengrus, Kupfergrus und Granat. "BB2049" ist die brancheninterne Bezeichnung für einen gebräuchlichen Typ. Das Suffix 2049 bezeichnet die Partikelgröße: Die Partikel können von einem Sieb mit einer Maschenweite zwischen 0,84 mm und 0,291 mm (US Standard Sieve-Größe 20 bis 49 Mesh) zurückgehalten werden. Ein anderer, weit verbreiteter Typ ist StarBlast.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die gezeigte Vorrichtung besteht bevorzugterweise aus allgemein verfügbaren Materialien, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. Der Luft-Partikel-Strom wird durch einen Einlaßschlauch 10 in eine Düse 20 transportiert, wo er auf eine Mischkammer 40 trifft. Unter funktionalem Aspekt kann die Vorrichtung in zwei Stufen aufgeteilt werden, in eine erste Stufe 12 und in eine zweite Stufe 14. Zusammengefaßt ist festzustellen, daß die Partikel in der ersten Stufe 12 durch Druckgas, vorzugsweise (jedoch nicht ausschließlich) Luft, beschleunigt werden. In der zweiten Stufe 14 werden die Partikel durch Hochdruckwasser weiter beschleunigt. Der Partikelstrom hat beim Verlassen der Düse 20 eine Geschwindigkeit von rund 660 km/h. Während des Transports durch die Mischkammer 40 trifft der Luft-Partikel-Strom auf mindestens einen Ultrahochdruckwasser-Einlaßanschluß 52, 54, von denen mindestens ein Ultrahochdruckwasserstrahl in die Mischkammer eingeführt wird, wobei durch die Bewegung des Luft-Partikel-Stroms relativ zur Mittelachse des Wasserstrahls ein obliquer Winkel gebildet wird. Die Wasserstrahlen werden durch einen Ultrahochdruckfluß durch den Einlaß 50 und den kreisrunden Kanal 101 zu einer Öffnung 100 gebildet, die sich an jedem Einlaßanschluß 52, 54 befindet. Die Flüssigkeitsstrahlen werden mit dem Luft-Partikel-Strom zusammengeführt, wodurch eine Beschleunigung der Partikel auf eine größere Geschwindigkeit erfolgt. Eine zweite Funktion der Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen besteht aufgrund ihrer obliquen und/oder schrägen Position darin, die Richtung des Stroms zu verändern, und zwar von einer rein axialen zu einer Wirbel- oder Strudelbewegung. Dadurch wird die Interaktion der Partikel innerhalb des Flüssigkeitsstroms verbessert.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläßt der aus Luft, Partikeln und Wasser bestehende Strom das unterstromige Ende der Düse 80. In anderen besonders bevorzugten Ausführungsformen wird der Flüssigkeitsstrom weiter bearbeitet, so daß eine Verstärkung der Wirbelbewegung vor dem Verlassen der Düse erreicht wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Luft-Partikel-Wasser-Flüssigkeitsstrom innerhalb der Düse in Austrittsrichtung transportiert, während eine weitere Vermischung mit Luft erfolgt.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Luft in die Mischkammer einzuleiten. In einer bevorzugten Ausführungsform dringt die Luft durch simple Aspiration oder durch passive Induktion durch mindestens eines der in der Düse befindlichen Löcher 60, 62 in die Mischkammer ein. Genauer ausgedrückt, wird in dieser bevorzugten Ausführungsform die Luft durch den negativen Druck aufgrund der Bewegung des Flüssigkeitsstroms durch die Mischkammer in dieselbe induziert.
In anderen Ausführungsformen kann die Luft aktiv (unter Druck) in die Mischkammer 40 injiziert werden. Außerdem tritt die Luft in der abgebildeten Ausführungsform durch Löcher 60, 62 in die Mischkammer ein. Diese Löcher befinden sich vor den Einlaßanschlüssen 52, 54 für den Ultrahochdruck-Wasserstrahl, über die von einem Einlaß 50 aus Ultrahochdruckwasser in die Kammer injiziert wird. In anderen Ausführungsformen kann die Luft an einer zu den Einlaßanschlüssen 52, 54 nachgeschalteten Position in die Kammer eindringen. In weiteren Ausführungsformen hingegen können Wasser und Luft gleichzeitig in die Kammer eingeführt werden. Folglich dringt die Luft durch eine passive Bewegung in die Mischkammer ein, und zwar über eine positive Druckgradiente von der Außenseite der Mischkammer und eine Vermischung mit dem Luft-Partikel-Flüssigkeitsstrom. Dadurch kommt es zu einer weiteren Verstärkung der Wirbelbewegung und folglich zu einer Beschleunigung der Partikel. In anderen besonders bevorzugten Ausführungsformen wird die Luft nicht passiv in die Mischkammer induziert, sondern aktiv unter Druck in die Kammer gepumpt, beispielsweise mit einem Druck zwischen 0,7 und 10 bar (10 bis 150 psi).
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Wirbelbewegung (ohne Unterstützung des in die Mischkammer 40 einströmenden Luftstroms) durch eine Veränderung der Innengeometrie der Mischkammer erreicht bzw. weiter verstärkt. In einigen dieser Ausführungsformen passiert, wie in Fig. 2 dargestellt, der Luft-Wasser-Partikelstrom durch die Mischkammer 40 einen konvergierenden Kanal 42 (das heißt, der Durchmesser der Mischkammer verringert sich). Die Folge: Aufgrund des Gesetzes von der Erhaltung des Impulsmoments nimmt die Radialgeschwindigkeit der Partikel zu. Eine solche höhere Radialgeschwindigkeit führt zu einer höheren Partikelkonzentration in einer Zone, auf die die Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen gerichtet werden, wodurch die Auftreffhäufigkeit und der Partikeleintrag und damit der Partikelbeschleunigungsprozeß in der Kammer verstärkt werden. Nach diesem engen Teil der Kammer nimmt der Radius im Bereich 44 wieder zu, was zu einer Verteilung der Abriebpartikel führt. Das heißt, der auf die Partikel wirkende Radialimpuls führt zu einer Bewegung der Partikel in Richtung der Wände der Kammer. Folglich besteht die Kammer aus einem konvergierenden Bereich 42 und einem divergierenden Bereich 44. Erneut soll darauf verwiesen werden, daß eine kontrollierte und gleichmäßige Verteilung der Partikel für den Einsatzzweck der Oberflächenbearbeitung wünschenswert ist, da auf diese Weise der von den Abriebpartikeln erreichte Oberflächenbereich vergrößert wird. In anderen Ausführungsformen wird die Wirbelbewegung durch Nuten, Furchen oder Flügel an der gesamten Innenwand der Mischkammer oder an einem Teil dieser Wand verstärkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mischkammer außerdem mit einem zusätzlichen Einlaß bzw. mit zusätzlichen Einlässen versehen, durch die ein Flüssigkeitsaustausch mit einer Quelle von Chemikalien hergestellt wird. Obwohl je nach dem Einsatzbereich der Vorrichtung unterschiedliche Chemikalien genutzt werden können, werden in einer bevorzugten Ausführungsform Korrosionshemmer in die Mischkammer eingeleitet.
Die Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2 nimmt der Durchmesser der Mischkammer ab (konvergierender Bereich 42), um die radiale Geschwindigkeit zu erhöhen und die Partikel in einer bestimmten Zone zu konzentrieren, so daß eine effektive Interaktion mit den Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen erreicht wird, jedoch erfolgt in diesem Falle kein nachfolgendes Divergieren zur Erzeugung von Verteilungseffekten. Statt dessen läuft die Düse kegelförmig zu und bildet ein Fokussierrohr 72. Folglich ist diese Ausführungsform besser für Trennarbeiten geeignet. Im Gegensatz hierzu steht die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform, die besser für das Abtragen von Oberflächenschichten geeignet ist.
Wie weiter in Fig. 3 dargestellt ist, wird ein einzelner Ultrahochdruck-Flüssigkeitsstrahl auf eine Längsachse der Ausgangsdüse ausgerichtet, um eine Verbesserung der Schnittleistung zu erreichen. Darüber hinaus ist die Vorrichtung mit mehreren Düsen 20 ausgestattet, die von der Längsachse und dem Ultrahochdruck-Flüssigkeitsstrahl versetzt sind und eine gleichmäßige Verteilung der Abriebpartikel im System ermöglichen.
Optimale Abtrag- bzw. Trennergebnisse können durch eine Optimierung der Innengeometrie der Mischkammer erreicht werden, das heißt, es sind die Innenradien, die Geometrien der Wirbelverstärkung sowie die Konfiguration der Luftinduktion zur Wirbelverstärkung und der Einlaßanschlüsse zu optimieren. Gleiches gilt für die Positionierung der konvergierenden bzw. divergierenden Bereiche in bezug auf die Wasser- und Luftanschlüsse.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 4 dargestellt, werden zur Reduzierung des Gewichts der Vorrichtung, zur Vereinfachung des Betriebs und zur Reduzierung der Herstellungskosten verschiedene Veränderungen vorgenommen. In der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Stufe der Beschleunigung der Abriebpartikel durch die Einführung eines einzelnen Ultrahochdruck-Flüssigkeitsstrahls erreicht. Dieser Strahl wird dadurch erzeugt, daß ein Ultrahochdruck-Flüssigkeitsstrahl durch den Einlaß 50 und die Öffnung 100 geleitet wird, die am Einlaßanschluß 52 positioniert sind. Der Einlaß 50 und der Kanal 102 werden entlang einem Pfad, auf dem der Ultrahochdruck-Flüssigkeitsstrahl den Einlaßanschluß 52 verläßt und in die Mischkammer 40 eintritt, direkt auf die Öffnung 100 ausgerichtet. Der einzelne Ultrahochdruck- Flüssigkeitsstrahl tritt in einem obliquen Winkel in die Mischkammer ein, wo er sich mit dem Abriebpartikelstrom unter Beschleunigung desselben vereinigt. Auf ähnliche Art und Weise ist nur ein einzelnes Lufteinlaßloch 60 vorhanden, das ein tangentiales Zuführen der Luft in die Mischkammer 40 ermöglicht. Eine Vorrichtung entsprechend der in Fig. 4 illustrierten Ausführungsform vereinfacht die Anwendung und Herstellung und ermöglicht somit Kostensenkungen. Eine weitere Verringerung des Gewichts der Vorrichtung wird erreicht, wenn die Mischkammer aus Aluminium, Siliziumnitrid oder ähnlichen Materialien hergestellt wird.
Die entsprechend einer der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgestellte Vorrichtung kann eine Handeinheit umfassen, die allgemein als "Pistole" bezeichnet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie schematisch in Fig. 4 illustriert, sind in der Düse eine Reihe von Ventilen 90, 92, 94 untergebracht, die dem Bediener ein selektives Einschalten des Wasser- und/oder Abriebpartikelstroms gestatten. Beispielsweise kann der Bediener den Wunsch haben, den Abriebpartikelfluß zu stoppen, so daß die Düse nur noch von einem Flüssigkeits-Luft-Gemisch durchströmt wird, mit dem das bearbeitete Objekt abgewaschen werden kann. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, daß der Bediener sowohl den Wasser- als auch den Abriebpartikelfluß stoppt, so daß in der Düse nur noch ein Luftstrom vorhanden ist, mit dem der Bediener das zu bearbeitende Objekt trocknen kann. Wenn der Bediener Trockenstrahlarbeiten durchführen möchte, kann der Fluß der Ultrahochdruckflüssigkeit durch die Düse angehalten werden. Der Bediener kann also selektiv die Funktion der Düse verändern, ohne sie freizugeben oder zu einem entfernten Ort in der Nähe der Quelle des Abriebpartikel- oder Ultrahochdruckstroms gehen zu müssen. Obwohl eine Vielzahl von Ventilen verwendet werden kann, handelt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform bei den Ventilen 90, 92 und 94 um Servoventile, die ihrerseits Ventile an der Quelle des Ultrahochdruck- Flüssigkeitsstroms und der Abriebpartikel ansprechen.
Unter ordnungsgemäß kontrollierten Bedingungen wurde eine Reihe vergleichender Experimente bei industrietypischen Gegebenheiten durchgeführt, um die Leistungsstärke und Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung und des Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen und Verfahren zu untersuchen. Die Ergebnisse einiger dieser Experimente werden weiter unten offengelegt. Zur Untersuchung der Effektivität der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu konventionellen Verfahren wurde der Vorgang des Entfernens eines Grundiermittels auf Zinkbasis sowie von Walzzunder von einer Stahloberfläche untersucht, wobei das Werkstück bis zum Erreichen einer blanken Metallfläche zu bearbeiten war. Zwar handelt es sich bei dieser Demonstration um den Kontext der Oberflächenbearbeitung, doch soll damit nicht nur die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung für diesen Anwendungsbereich, sondern auch für andere Anwendungsbereiche demonstriert werden, beispielsweise für Trennen, Bearbeiten, Walzen, Lackieren - kurz, für alle Anwendungsbereiche, in denen es auf das Aufbringen von Partikeln mit einer hohen Geschwindigkeit auf einer Oberfläche ankommt. Durch einen Vergleich der unter identischen Bedingungen erreichten Abtragraten einer Oberflächenbeschichtung kann das erstklassige Leistungsvermögen der Vorrichtung und des Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einer konventionellen Vorrichtung bzw. einem konventionellen Verfahren demonstriert werden. Mit diesen Experimenten sollte (a) die Leistungsstärke und Wirtschaftlichkeit einer erhöhten Partikelgeschwindigkeit durch eine zweistufige Beschleunigung und (b) die Leistungsstärke und Wirtschaftlichkeit der auf die Partikel wirkenden Wirbelbewegung bestätigt werden.
Die für die nachfolgend beschriebenen Experimente relevanten Parameter werden weiter unten aufgeführt. Außerdem wurde für jeden Parameter ein Bereich angegeben, innerhalb dem eine weitere Optimierung des Verfahrens und der Vorrichtung möglich ist. Definitionen, Positionen, Abmessungen und Verhältniswerte sind der Fig. 1 zu entnehmen.
Der erste in Tabelle 1 aufgelistete Parameter ist das "Verhältnis der Durchlaß-Durchmesser", also das Verhältnis der beiden Durchmesser D&sub1; und D&sub2;. Beide Werte sind in der Fig. 1 dargestellt; D&sub1; wird an einem weit am Anfang des Strömungsflusses befindlichen Punkt in der Nähe des Luft- /Partikeleinlaßschlauchs 10 gemessen, D&sub2; hingegen an einem weiter am Ende des Strömungsflusses befindlichen Punkt, wo die Durchlaßöffnung der Stufe 2 ihre engste Stelle erreicht. Der zweite dargestellte Parameter ist das "Verhältnis von Länge und Durchmesser", also das Verhältnis von D&sub1; und L&sub2;, das ebenfalls in der Fig. 1 abgebildet ist. Ebenfalls angegeben ist der "Vergleich des Anschlußwinkels von 1 und 2. Stufe". Für die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung beträgt dieser Winkel null Grad, da die erste Stufe 12 und die zweite Stufe 14 koaxial aufeinander ausgerichtet sind. Der nächste in Tabelle 1 dargestellte Parameter ist der "Neigungswinkel der 1. Stufe bei Übergang in die 2. Stufe". Der Neigungswinkel der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung beträgt null Grad; so daß er in der Fig. 1 nicht dargestellt werden kann. Dieser Parameter ist analog zum vorherigen, mit einer Ausnahme: Letzterer beschreibt die räumliche Beziehung zwischen den beiden Stufen unter Bezugnahme der Positionierung der einen Stufe relativ zur anderen, und zwar in einer senkrecht zur Zeichnung verlaufenden Ebene. Das "Leistungsverhältnis" ist das Verhältnis zwischen der Leistung in Stufe 2 und der Leistung in Stufe 1 bzw. zwischen der hydraulischen und der pneumatischen Leistung. Dieser Parameter ist rein informativ, da die Partikel (wie aus Fig. 1 hervorgeht) von zwei Quellen beschleunigt werden: Die Luft über einen Einlaßschlauch 10 in der ersten Stufe, und das Wasser über die Einlaßanschlüsse 52, 54 in der Stufe 2. Jeder Eingang muß über eine Leistungsquelle verfügen - daraus ergibt sich das "Leistungsverhältnis". Das "Wirbel-Leistungsverhältnis" ähnelt dem eben beschriebenen Parameter und beschreibt die Leistung, welche zur Erzeugung oder Verstärkung des Wirbels über die Leistung in Stufe 1 (hydraulische Leistung) angelegt wird. Der nächste Parameter sind die "Wirbel-Luftstrahlanschlüsse". Dieser Begriff bezieht sich auf die Anzahl der Einlaßanschlüsse, durch welche die Luft zur Induzierung bzw. Verstärkung des Wirbels eingeführt wird. Zwei Einlaßanschlüsse 60, 62 sind in Fig. 1 dargestellt. Der Begriff "Innenwinkel des Wirbelkegels" bezieht sich auf den Winkel, in dem der Innendurchmesser der zweiten Stufe 14 konvergiert. Genauer ausgedrückt, bezieht er sich auf den Winkel, der durch die Enden gebildet wird, die einen Querschnitt der Innenwand der zweiten Stufe nachzeichnen, gemessen vom Beginn der zweiten Stufe 14 bis zu D&sub2;. Der Begriff "Neigungswinkel des Einlasses der verwirbelten Lüft" bezieht sich auf die Positionierung der Lufteinlaßanschlüsse 60, 62. Mit diesem Begriff wird jener Winkel beschrieben, in dem die Luft das Innere der Vorrichtung erreicht, und zwar im Verhältnis zu einer Ebene, die parallel zur Ebene des Blattes verläuft, auf der die Zeichnung abgebildet ist. Der nächste Parameter ist die "Kreuzung der Ultrahochdruck-Wasserstrahlen", in Fig. 1 als L&sub1; dargestellt. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist L&sub1; der Abstand von jenem Punkt; an dem die einzelnen Strählen des Ultrahochdruckwassers (das von den Einlassanschlüssen 52, 54 kommt) konvergieren, um zum Ende der zweiten Stufe weitertransportiert zu werden (gleichbedeutend mit L&sub2;). Wird für den Parameter "Kreuzung der Ultrahochdruck-Wasserstrahlen" ein Wert von "@D&sub2;" angegeben, bedeutet dies eine Konvergierung der Strahlen am Punkt D&sub2; (dargestellt in Fig. 1). Die Parameterwerte basieren jeweils auf einem Vielfachen von D&sub2;. Folglich bedeutet die Angabe +10 · D&sub2;, daß die Strahlen nach jenem Punkt konvergieren, an dem D&sub2; gemessen wird, und zwar in einem Abstand, der dem Zehnfachen des Wertes von D&sub2; entspricht. Der nächste Parameter bezieht sich auf die Anzahl der Ultrahochdruckwasser-Einlaßanschlüsse 52, 54. Zwei solcher Anschlüsse sind in Fig. 1 dargestellt. Der nächste in Tabelle 1 aufgelistete Parameter ist der "Durchmesser des Einlaßanschlusses für den Ultrahochdruck-Wasserstrahl", wobei es sich um den Innendurchmesser der Einlaßanschlüsse 52, 54 handelt. Der nächste Parameter ist der "Innenwinkel des Ultrahochdruck-Wasserstrahls". Dieser Winkel wird durch die beiden Strahlen gebildet, welche die Anschlüsse 52, 54 verlassen. Der letzte Parameter ist der "Neigungswinkel des Ultrahochdruck-Wasserstrahls". Dieser Parameter definiert teilweise die Position der einzelnen Anschlüsse 52, 54 entlang einer Ebene, die senkrecht zu dem Blatt verläuft, auf dem die Fig. 1 abgebildet ist. Tabelle 1

Beispiel 1

(Entfernen von Zinkgrundierung)

Vergleich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer konventionellen Vorrichtung bzw. einem konventionellen Verfahren zur Oberflächenbearbeitung

Die konventionelle Vorrichtung umfaßte eine konvergierend/divergierend zulaufende trockene Abrieb-Strahldüse mit einem Durchmesser von 3/16 Zoll (oder der Größe 3), wie sie in der Industrie allgemein üblich ist. Die Düse wurde angetrieben von Luft mit einem Druck von 6,9 bar (100 psi) mit einem Durchsatz von 1,4 m³/min (50 ft³/min), so daß auf die Testoberfläche 117,7 kg/h (260 lbs/h) Abriebpartikel mit einer Größe zwischen 1,19 und 0,42 mm (US-Sieve-Mesh 16-40) geschleudert werden.
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßte die oben beschriebene konventionelle Vorrichtung, die als erste Beschleunigungsstufe dient, angetrieben vom selben Luftdruck, demselben Luftdurchsatz und unter Förderung desselben Abriebpartikel-Masseflusses bei im Vergleich zur zweiten Beschleunigungsstufe identischer Partikelgröße. Die zweite Beschleunigungsstufe ist wasserstrahlgetrieben, wobei die Strahlgeschwindigkeit rund 670 m/s (2200 ft/sec) beträgt. Die Wirbelaktion wurde nicht extern unterstützt, das heißt, von der Seite der Mischkammer aus wurde keine zusätzliche Flüssigkeit zugesetzt, um die Wirbelaktion in der Mischkammer zu verstärken. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß die Wirbelbewegung zwar nicht absichtlich induziert wurde, jedoch als inhärente Folge der Innengeometrie der Kammer überall auftreten kann.
Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

Beispiel 2

(Entfernen von Zinkgrundierung)

Die konventionelle Vorrichtung umfaßte eine konvergierend/divergierend zulaufende trockene Abrieb-Strahldüse mit einem Durchmesser von 4/16 Zoll (oder der Größe 4), wie sie in der Industrie allgemein üblich ist. Die Düse wurde angetrieben von Luft mit einem Druck von 6,9 bar (100 psi) mit einem Durchsatz von 2,5 m³/min (90 ft³/min), so daß auf die Testoberfläche 227 kg/h (500 lbs/h) Abriebpartikel mit einer Größe zwischen 1,19 und 0,42 mm (US-Sieve-Mesh 16-40) geschleudert werden.
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßte die oben beschriebene konventionelle Vorrichtung, die als erste Beschleunigungsstufe dient, angetrieben vom selben Luftdruck, demselben Luftdurchsatz und unter Förderung desselben Abriebpartikel-Masseflusses bei im Vergleich zur zweiten Beschleunigungsstufe identischer Partikelgröße. Die zweite Beschleunigungsstufe ist wasserstrahlgetrieben, wobei die Strahlgeschwindigkeit rund 670 m/s (2200 ft/sec) beträgt. Die Wirbelaktion wurde nicht extern unterstützt, das heißt, von der Seite der Mischkammer aus wurde keine zusätzliche Flüssigkeit zugesetzt, um die Wirbelaktion in der Mischkammer zu verstärken.
Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

Beispiel 3

(Entfernen von Walzzunder)

Die konventionelle Vorrichtung umfaßte eine konvergierend/divergierend zulaufende trockene Abrieb-Strahldüse mit einem Durchmesser von 4/16 Zoll (oder der Größe 4), wie sie in der Industrie allgemein üblich ist. Die Düse wurde angetrieben von Luft mit einem Druck von 6,9 bar (100 psi) mit einem Durchsatz von 2,5 m³/min (90 ft³/min), so daß auf die Testoberfläche 227 kg/h (500 lbs/h) Abriebpartikel mit einer Größe zwischen 1,19 und 0,42 mm (US-Sieve-Mesh 16-40) geschleudert werden.
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßte die oben beschriebene konventionelle Vorrichtung, die als erste Beschleunigungsstufe dient, angetrieben vom selben Luftdruck, demselben Luftdurchsatz und unter Förderung desselben Abriebpartikel-Mässeflusses bei im Vergleich zur zweiten Beschleunigungsstufe identischer Partikelgröße. Die zweite Beschleunigungsstufe ist wasserstrahlgetrieben, wobei die Strahlgeschwindigkeit rund 670 m/s (2200 ft/sec) beträgt. Die Wirbelaktion wurde nicht extern unterstützt, das heißt, von der Seite der Mischkammer aus wurde keine zusätzliche Flüssigkeit zugesetzt, um die Wirbelaktion in der Mischkammer zu verstärken.
Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

Beispiel 4

(Entfernen von Zinkgrundierung)

Die konventionelle Vorrichtung umfaßte eine konvergierend/divergierend zulaufende trockene Abrieb-Strahldüse mit einem Durchmesser von 3/16 Zoll (oder der Größe 3), wie sie in der Industrie allgemein üblich ist. Die Düse wurde angetrieben von Luft mit einem Druck von 6,9 bar (100 psi) mit einem Durchsatz von 1,4 m³/min (50 ft³/min), so daß auf die Testoberfläche 117,7 kg/h (260 lbs/h) Abriebpartikel mit einer Größe zwischen 1,19 und 0,42 mm (US-Sieve-Mesh 16-40) geschleudert werden.
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßte die oben beschriebene konventionelle Vorrichtung, die als erste Beschleunigungsstufe dient, angetrieben vom selben Luftdruck, demselben Luftdurchsatz und unter Förderung desselben Abriebpartikel-Masseflusses bei im Vergleich zur zweiten Beschleunigungsstufe identischer Partikelgröße. Die zweite Beschleunigungsstufe ist wasserstrahlgetrieben, wobei die Strahlgeschwindigkeit rund 670 m/s (2200 ft/sec) beträgt. Die Wirbelaktion wurde durch Injektion zusätzlicher Druckluft unterstützt, so daß ein Dreheffekt von 0,55 cm/kg (0,17 Zoll/lbs) einströmender Luft in der ersten Beschleunigungsstufe erreicht wurde.
Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

Beispiel 5

(Entfernen von MIR-Zunder)

Die konventionelle Vorrichtung umfaßte eine konvergierend/divergierend zulaufende trockene Abrieb-Strahldüse mit einem Durchmesser von 4/16 Zoll (oder der Größe 4), wie sie in der Industrie allgemein üblich ist. Die Düse wurde angetrieben von Luft mit einem Druck von 6,9 bar (100 psi) mit einem Durchsatz von 2,5 m³/min (90 ft³/min), so daß auf die Testoberfläche 227 kg/h (500 lbs/h) Abriebpartikel mit einer Größe zwischen 1,19 und 0,42 mm (US-Sieve-Mesh 16-40) geschleudert werden.
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßte die oben beschriebene konventionelle Vorrichtung, die als erste Beschleunigungsstufe dient, angetrieben vom selben Luftdruck, demselben Luftdurchsatz und unter Förderung desselben Abriebpartikel-Masseflusses bei im Vergleich zur zweiten Beschleunigungsstufe identischer Partikelgröße. Die zweite Beschleunigungsstufe ist wasserstrahlgetrieben, wobei die Strahlgeschwindigkeit rund 670 m/s (2200 ft/sec) beträgt. Die Wirbelaktion wurde durch Injektion zusätzlicher Druckluft unterstützt, so daß ein Dreheffekt von 0,55 cm/kg (0,17 Zoll/lbs) einströmender Luft in der ersten Beschleunigungsstufe erreicht wurde.
Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

Beispiel 6

(Entfernen von AM-Zunder)

Die konventionelle Vorrichtung umfaßte eine Wasserstrahldüse mit einer Leistung von 18,6 kW (25 HHP), angetrieben mit einem Druck von 2450 bar (35.000 psi). Die Abriebmittel (Größe: 0,42- 0,25 mm bzw. 40-60 Mesh) wurden in einer Menge von 227 kg/h (500 lbs/h) von dem durch den Wasserstrahl produzierten Vakuum in die Mischkammer aspiriert (und nicht durch Druckluft, welche an der Düse einer ersten Stufe vorbeschleunigt wurde, wie in den Beispielen 1-5). Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßte dieselbe konventionelle Vorrichtung wie oben beschrieben. Außerdem wurde zur Unterstützung der Verwirbelung Luft mit einer Leistung von weiteren 5,2 kW (7 HHP) injiziert, woraus sich eine Gesamtleistung des Systems von 23,8 kW (32 HHP) ergab.
Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

Beispiel 7

Die erstklassige Energie- und Kosteneffizienz der zweistufigen Beschleunigung

Zur Beschleunigung der Partikel kann sowohl Wasser, als auch Luft verwendet werden. Die Kraft, welche auf das sich in einer Flüssigkeit bewegende Partikel wirkt, ist der Strömungswiderstand (FD). Die Gleichung für den Strömungswiderstand lautet:
FD = CD · pv²A/2
Dabei ist FD der Strömungswiderstand, CD der Widerstandsbeiwert, p die Dichte der Flüssigkeit, v die relative Geschwindigkeit des Partikels in bezug auf die Umgebungsflüssigkeit und A die Querschnittsfläche des Partikels bzw. (bei einem unregelmäßig geformten Partikel) dessen vorstehende Fläche.
CD ist eine experimentell bestimmte Funktion der Reynoldsschen Zahl (NR) des Partikels. Die Reynoldssche Zahl ist wie folgt definiert:
NR = pvd/u
Dabei ist p die Dichte der Flüssigkeit, v die relative Partikelgeschwindigkeit, d der Durchmesser des Partikels und u die dynamische Viskosität der Flüssigkeit. Bei einer NR zwischen etwa 500 und 200.000 sowie bei einem kreisrunden Partikel, das die typische Geschwindigkeitsspanne für das Beschleunigen von Partikeln mit einem höheren Geschwindigkeits-Flüssigkeitsstrom repräsentiert, liegt der Widerstandsbeiwert in etwa im Bereich zwischen 0,4 und 0,5; bei Luft im Bereich der Unterschallgeschwindigkeit.
Aus der oben beschriebenen Analyse kann die Schlußfolgerung gezogen werden, daß Wasser im Unterschied zu Luft ein effektives Instrument zur Partikelbeschleunigung ist, denn der Strömungswiderstand ist proportional zur Dichte der sich bewegenden Flüssigkeit. Der Dichtequotient zwischen Wasser und Luft beträgt etwa 800. Wenn man jedoch Wasser nur als Transportmittel verwenden würde, entstünden Kosten in unverantwortlicher Höhe. Die Zuführung von Luft mit einem Druck von 6,89 bar (100 psi) mit einem Durchsatz von 0,28 m³ (1 ft³) pro Minute kann mit einem in der Industrie üblichen Verdichter bei Investitionskosten von nur $ 60 erreicht werden. Die daraus resultierende Motorleistung beträgt 0,25 PS (186 W) bei einem Luftdurchsatz von 0,28 m³ (1 ft³) pro Minute und einem Druck von 6,89 bar (100 psi). Ein solcher Luftstrom kann die Partikel bis auf eine Geschwindigkeit von etwa 660 km/h (600 ft/s) beschleunigen, jedoch nicht wesentlich über diesen Wert hinaus, da bei höheren Geschwindigkeiten die Nachstromeffekte überwiegen. Um dieselbe Aufgabe mit Wasser zu erfüllen, wird eine Hochdruck-Wasserpumpe benötigt, die einen Druck von etwa 372 bar (5.400 psi) bei einer Förderrate von 0,28 m³ (1 ft³) produzieren kann, um die Partikel auf eine Geschwindigkeit von 660 km/h (600 ft/s oder rund 70% der Strömungsgeschwindigkeit) beschleunigen zu können. Als Antriebseinheit kann ein 25-PS-Motor (18,6 kW) verwendet werden; es entstehen Investitionskosten in Höhe von rund $ 6000. Der Vergleich der Investitionskosten und der benötigten Energie zeigt, daß mit Luft eine Beschleunigung der Partikel auf eine Geschwindigkeit von rund 660 km/h im Vergleich zu Wasser als Transportmedium mit einem Hundertstel der Investitionskosten und mit etwa einem Hundertstel des Energieeinsatzes erreicht werden kann. Folglich ist Luft ein wesentlich ökonomischeres, energieeffizienteres und bevorzugtes Medium für die Partikelbeschleunigung in der ersten Stufe bis auf eine Geschwindigkeit von rund 660 km/h, während ein Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahl das bevorzugte Medium für eine Beschleunigung der Partikel über eine Geschwindigkeit von 660 km/h (zweite Stufe) bis auf eine Geschwindigkeit von etwa 3300 km/h (3000 ft/s) und darüber hinaus ist. Ein zweites Argument für die Verwendung von Luft in der ersten Stufe der Beschleunigung besteht darin, daß die Partikel in einem turbulenten Luftstrom innerhalb einer Leitung oder eines Schlauchs problemlos transportiert werden können, und zwar auch über größere Entfernungen und Höhen. Folglich kann der Behälter für die Abriebpartikel groß sein, es kommt seltener zu Unterbrechungen aufgrund des Auffüllens des Behälters, und der Behälter muß sich nicht zwangsläufig in der Nähe der Düse befinden, von der aus die Partikel auf die zu bearbeitende bzw. zu durchtrennende Oberfläche abgegeben werden.

Beispiel 8

Reduzierung der erforderlichen Leistung für das Trennen von Materialien dank einer erstklassigen Partikelzuführung durch Wirbelinduktion

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Vorteil einer Partikelbeschleunigung durch (einen) Ultahochgeschwindigkeits-Wasserstrahl(en) weiter erhöht werden, indem man in den Flüssigkeitsstrom eine Wirbelbewegung induziert und die Partikel einer solchen Wirbelbewegung aussetzt. Versuche, die mit einer solchen Konfiguration durchgeführt wurden, brachten erstklassige Ergebnisse (gemessen anhand des Oberflächenabtrags), was ein Nachweis für die erstklassige Impulsübertragung auf den Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und den Transport der Partikel durch diesen Strahl ist. Wenn die Partikel in Kontakt mit einer in einer Wirbelbewegung befindlichen Flüssigkeit kommen, werden sie durch eine Zentrifugalkraft radial nach außen geschleudert. Diese Kraft und die resultierende Partikelbewegung wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie folgt genutzt: Wenn die Partikel durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert werden, konzentrieren sie sich in einer Region, in der sie vorzugsweise in Kontakt zu Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen stehen, die absichtlich auf eine solche Region gerichtet werden. Das Ergebnis ist eine deutlich verbesserte Ausgangsgeschwindigkeit der aus der Kammer abgegebenen Partikel, ein energetisch wesentlich effizienterer Beschleunigungsprozeß sowie die Möglichkeit, eine wesentlich größere relative Partikelkonzentration in den Ultrahochgeschwindigkeits-Wasserstrahl zu induzieren. In Experimenten, die zur Unterstützung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, konnte nachgewiesen werden, daß die aktuell verfügbare Technik auf die Einführung von rund 12% Partikel in die Transportflüssigkeit beschränkt ist. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegende Erfindung durch die Einführung der Wirbelbewegung Partikelkonzentrationen von bis zu 50% (relativ zum Transportmedium Wasser), wobei eine effektive Beschleunigung auf ultrahohe Geschwindigkeiten möglich ist. In Experimenten wurde festgestellt, daß dieser Vorteil auf zwei Quellen zurückzuführen ist. Erstens wird die Anzahl der Partikel, die mit den Wasserstrahlen in Kontakt kommen, durch die Wirbelbewegung erhöht. Das heißt, eine maximale Anzahl der Partikel wird in den Wasserstrahl aufgenommen. Zweitens ist die auf die Partikel wirkende Zentrifugalkraft in bezug auf den annähernd senkrecht zu den Wasserstrahlen ausgerichteten Vektor sehr gering. Wenn beispielsweise die Wasserstrahlen in Kontakt zu Partikeln kommen, die sich mit einer großen resultierenden Kraft im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Wasserstrahlen bewegen, wird die Beschleunigung der Partikel in der Richtung der Wasserstrahlen aufgehoben. Mit der vorliegenden Erfindung wird diese Beschränkung überwunden, denn mit ihr wird eine maximale Partikelbeschleunigung erreicht. Zu diesem Zweck werden die Partikel im Transportweg des Wasserstrahls aufgrund der Wirkung der Zentrifugalkraft konzentriert, und die resultierende Kraft senkrecht zur Richtung der Wasserstrahlen ist gering.
Die Wirbelbewegung kann durch eine Vielzahl von Möglichkeiten induziert werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt sind. Beispielsweise könnte eine Kammer mit einem variablen Radius zum Einsatz kommen, das heißt, eine Kammer, deren Radius sich in den hinteren Strömungsbereichen verringert. Außerdem können in das Innere der Kammer Nuten eingearbeitet oder Flügel eingebaut werden. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, eine Flüssigkeit in die Kammer zu induzieren, zu injizieren oder zu aspirieren, und zwar in obliquen Winkeln oder tangential relativ zur Längsachse, die von der Kammer gebildet wird.

Beispiel 9

Eine erstklassige Trennleistung und Effizienz durch Erhöhung der Partikelgeschwindigkeit, der Konzentration und der Fokussierung

Im Kontext dieser Erfindung wurde gezeigt, daß eine höhere Partikelgeschwindigkeit (die einen bestimmten Schwellenwert überschreitet) zu einer deutlichen Erhöhung des Materialabtrags bei der Oberflächenbearbeitung und bei Trennarbeiten führt. Tatsächlich nimmt der Betrag des Materialabtrags im Vergleich zur Partikelgeschwindigkeit quadratisch zu. Im Vergleich zu Partikelstrom- Trennvorrichtungen nach dem aktuellen Stand der Technik kann die Partikelgeschwindigkeit mit dieser Erfindung um 40-50% erhöht werden, was zu einer Steigerung des Trennvermögens um das Doppelte führt. Zwei weitere Faktoren tragen ebenfalls wesentlich zu einer Steigerung der Effizienz von Trennprozessen mit Abriebpartikelströmen bei: Das ist (a) die Quantität oder Konzentration der mit maximaler Geschwindigkeit je Zeiteinheit abgegebenen Partikel (Mt in kg/s), sowie (b) die Fokussierung eines solchen Partikelstroms auf den kleinstmöglichen Punkt mit einem Durchmesser D&sub0; (in um).
Wie die Anmelder in den Beispielen 4, 5 und 6 gezeigt haben, führt die Einwirkung einer Wirbelbewegung auf die Partikel zu einer Verbesserung des Beschleunigungsprozesses und der Fähigkeit zur Einführung weiterer Partikel je Einheit des Ultrahochgeschwindigkeitswassers (bezeichnet als Partikelkonzentration) von etwa 12% nach dem aktuellen Stand der Technik auf 50%, was einer Steigerung um das Vierfache gleichkommt. Die Wirbelbewegung unterstützt außerdem die Konzentration des Partikelstroms auf eine kleinere Fläche D&sub0;, folglich wird die Partikelkonzentration je Auftreffläche auf dem Material erhöht. Unter Bezugnahme auf eine konventionelle Partikelstromvorrichtung, mit der ein Fokussierdurchmesser DC erreicht wird, nimmt die Partikelkonzentration um das Quadrat des Durchmesserquotienten zu (DC/D&sub0;)². Entsprechend dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Fokussierdurchmesser im Vergleich zu konventionellen Partikelstrom-Trennvorrichtungen um etwa 25% reduziert werden, was zu einer Steigerung der Trennleistung um das Doppelte führt. Daraus ergibt sich insgesamt folgender Effekt:
Variable Multiplikator für die Trennleistung
Partikelgeschwindigkeit 2x
Konzentration der Abriebpartikel im Strom 4x
Fokussierung 2x
Effekt insgesamt: 2 · 4 · 2 = 16x
Für die Praxis hat dieser Leistungsmultiplikator enorme Auswirkungen. Der Investitionsaufwand für ein konventionelles Partikelstrom-Trennsystem liegt derzeit bei rund $2.000 je PS (0,75 kW) bzw. bei rund $60.000 für eine typische Industrieanlage mit einer Leistung von 30 PS (22,5 PS). Bei einer Verringerung dieser Kosten um den Faktor 16 sinken diese auf rund $4.000. Damit kann das vorgestellte Verfahren und die vorgestellte Vorrichtung nunmehr bei einer Vielzahl konventioneller Anwendungen mit hohen Volumina im Wettbewerb mit Brenn- und Plasmatrennvorrichtungen bestehen, beispielsweise beim Schneiden von Stahlplatten, Baumaterialien, Glas, Holz usw.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitspartikelstromes in einer Kammer, umfassend folgende Stufen:

(i) Beschleunigen einer Vielzahl von Partikeln auf Unterschallgeschwindigkeit unter Verwendung von einem oder mehreren Gasstrahlen zur Erzeugung eines Partikelstromes;

(ii) Beschleunigen der Partikel auf eine höhere Geschwindigkeit unter Verwendung einer oder mehrerer Flüssigkeitsstrahlen, in dem der Partikelstrom in einem schrägen Winkel mit einem oder mehreren ultrahohen Druckwasserstrahlen innerhalb der Kammer berührt wird, wobei der Ultrahochdruck im Bereich von 1.034 bar (15.000 psi) bis 4.137 bar (60.000 psi) liegt, und

den Partikeln eine Spiralbewegung durch Einspritzen von einem oder mehreren Strömungsmittelstrahlen verleihen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die zusätzliche Stufe des Verstärkens der Spiralbewegung für die Partikel durch Einengen des inneren Radius der Kammer.

3. Verfahren zum Erzeugen eines Hochgeschwindigkeitspartikelstromes in einer Kammer, umfassend folgende Stufen:

(i) Beschleunigen einer Vielzahl von Partikeln auf eine Unterschallgeschwindigkeit unter Verwendung ein oder mehrerer Gasstrahlen, um einen Partikelstrom zu erzeugen, anschließend

(ii) Beschleunigung der Partikel auf eine höhere Geschwindigkeit unter Verwendung einer oder mehrerer Flüssigkeitsstrahlen, indem der Partikelstrom mit einem oder mehreren Ultrahochdruckwasserstrahlen innerhalb der Kammer berührt wird, wobei der Ultrahochdruck im Bereich von 1.034 bar (15.000 psi) bis 4.137 bar (60.000 psi) liegt und

(iii) den Partikeln eine Spiralbewegung verleihen, in dem der Innenradius der Kammer eingeengt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Einführung von einem oder mehreren Strömungsmittelstrahlen durch Injektion des unter Druck stehenden Strömungsmittels geschieht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Einführung ein oder mehrerer Strömungsmittelstrahlen durch passives Ansaugen des Strömungsmittels geschieht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Strömungsmittel Luft darstellt.

7. Verfahren zum Erzeugen eines Hochgeschwindigkeitspartikelstromes in einer Kammer, umfassend folgende Stufen:

(i) Beschleunigen einer Vielzahl von Partikeln auf eine Unterschallgeschwindigkeit unter Verwendung einer oder mehrerer Gasstrahlen, um einen Partikelstrom zu erzeugen, anschließend

(ii) Beschleunigung der Partikel auf eine höhere Geschwindigkeit unter Verwendung einer oder mehrerer Flüssigkeitsstrahlen, in dem der Partikelstrom in einem schrägen Winkel in einem oder mehreren Ultrahochdruckwasserstrahlen innerhalb der Kammer berührt wird, wobei der Ultrahochdruck im Bereich von 1.034 bar (15.000 psi) bis 4.137 bar (60.000 psi) liegt, anschließend

(iii) den Partikeln eine Spiralbewegung verleihen durch Manipulieren der inneren Konfiguration der Kammer.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Spiralbewegung durch eine Vielzahl von Nuten induziert wird, die in einer inneren Wand der Kammer angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Spiralbewegung induziert wird, in dem die innere Geometrie der Kammer verändert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, umfassend die zusätzliche Stufe von:

Verstärken der Spiralbewegung durch Einengen des inneren Kammerradius.

11. Verfahren nach Anspruch 7, umfassend die folgende Stufe von:

Induzieren einer Verbreiterung des Stromes durch unterstromiges Verbreitern des inneren Kammerradius.

12. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Abriebpartikelstrom auf eine Geschwindigkeit von etwa 600 ft/sec. beschleunigt wird.

13. Verfahren zum Erzeugen eines Ultrahochdruckströmungsmittel-Abriebstromes, umfassend:

Vorsehen eines unter Druck stehenden Stromes von Abriebpartikeln und von Luft zu einem Einlaß einer Düse, die einen proximal zusammenlaufenden Bereich und einen distal auseinanderlaufenden Bereich besitzt,

Beschleunigen des unter Druck stehenden Stromes von Abriebpartikeln auf eine erste Geschwindigkeit > 300 ft/s, indem der unter Druck stehende Strom durch die Düse geführt wird, und der unter Druck stehende Strom an Abriebpartikeln in eine Mischkammer eintritt,

Einführen eines Ultrahochdruckströmungsmittelstrahls in die Mischkammer, wobei der Ultrahochdruck im Bereich von 1.034 bar (15.000 psi) bis 4.137 bar (60.000 psi) liegt, und wobei der Ultrahochdruckflüssigkeitsstrahl den unter Druck stehenden Strom an Abriebpartikeln berührt und auf eine zweite Geschwindigkeit beschleunigt, die größer ist als die erste Geschwindigkeit, um einen Ultrahochdruckströmungsmittel-Abriebstrom zu erzeugen, und

Entleeren des Ultrahochdruckströmungsmittel- Abriebstromes durch eine Austrittsöffnung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend:

wahlweise Ermöglichen und Verhindern des Abriebpartikelstromes durch ein Einlaß der Düse.

15. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend:

wahlweises Ermöglichen und Verhindern des Ultrahochdruckflüssigkeitsstromes oberstromig von der Mischkammer.

16. Vorrichtung zum Erzeugen eines Strömungsmittelstrahles, der Abriebpartikel enthält, umfassend:

eine Quelle von Abriebpartikeln, die durch Gas unter Druck gesetzt und mit dem Einlaß einer ersten Düse verbunden sind, um einen unter Druck stehenden Strom von Abriebpartikeln zum Einlaß der ersten Düse vorzusehen, wobei die erste Düse einen proximal zusammenlaufenden Bereich besitzt, der mit einem distal auseinanderlaufenden Bereich verbunden ist,

eine Mischkammer in Strömungsmittelverbindung mit einem Auslaß der ersten Düse, die angrenzend an den distal auseinanderlaufenden Bereich der ersten Düse positioniert ist, wobei der unter Druck stehende Strom von Abriebpartikeln durch die erste Düse hindurchläuft und beschleunigt wird auf eine Geschwindigkeit > 300 ft/s und in die Mischkammer abgegeben wird,

eine Strömungsmitteleinlaßdüse, die in Strömungsmittelkommunikation mit der Mischkammer und mit einer Quelle von Ultrahochdruckflüssigkeit verbunden ist, wobei der Ultrahochdruck im Bereich von 1.034 bar (15.000 psi) bis 4. 137 bar (60.000 psi) liegt, und wobei ein ultrahochdruckflüssigkeitstrahl durch die Strömungsmitteleinlaßdüse in einer ausreichenden Geschwindigkeit abgegeben wird, um den unter Druck stehenden Strom von Abriebpartikeln mitzureißen und zu beschleunigen, und

ein Ausgangsrohr, das einen Einlaß in Strömungsmittelverbindung mit der Mischkammer und einen Auslaß besitzt, durch den der Ultrahochdruckflüssigkeitsstrahl, welcher die Abriebpartikel enthält, abgegeben wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Mischkammer mit einem ersten Einlaß versehen ist, welcher mit einer Gasquelle verbunden ist, um einen Gasstrom in die Mischkammer zu liefern, um die Verteilung der Abriebpartikel im Ultrahochdruckströmungsmittelstrahl zu verbessern.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, ferner umfassend:

ein erstes Ventil, das mit der ersten Düse verbunden ist, um selektiv die Strömung des unter Druck stehenden Stromes der Abriebpartikel in die erste Düse hinein zu starten und anzuhalten,

ein zweites Ventil, das mit der Strömungsmitteleinlaßdüse verbunden ist, um selektiv die Strömung der Ultrahochdruckflüssigkeit in die Mischkammer zu beginnen und anzuhalten, und

ein drittes Ventil, das mit dem ersten Einlaß verbunden ist, um selektiv die Gasströmung in die Mischkammer hinein zu beginnen und anzuhalten.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei dem die Strömungsmitteleinlaßdüse eine Mündung besitzt, die zu einem Durchgang ausgerichtet ist, der sich von der Mündung zu einer Öffnung in der Vorrichtung entlang eines Weges erstreckt, an dem der Ultrahochdruckströmungsmittelstrahl in die Mischkammer eintritt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, ferner umfassend einen ringförmigen Beschickungsring in Strömungsmittelkommunikation mit einer Vielzahl von Strömungsmitteleinlaßdüsen, die wiederum in Strömungsmittelkommunikation mit der Mischkammer stehen, und wobei ein Volumen an Ultrahochdruckflüssigkeit zum ringförmigen Beschickungsring geliefert wird und durch eine Vielzahl von Strömungsmitteleinlaßdüsen in die Mischkammer hinein folgt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Mischkammer mit einer zweiten Mündung in Strömungsmittelkommunikation mit einer Quelle an Chemikalien vorgesehen wird.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Quelle an Chemikalien einen Korrosionsverhinderer umfaßt.