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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von
Hochdruckfluidstrahlen und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen
zum Erzeugen von Fluidstrahlen mit einem gesteuerten Kohärenzlevel.
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Hintergrund
der Erfindung
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Herkömmliche
Fluidstrahlen wurden verwendet, um Substrate durch Druckbeaufschlagen
und Fokussieren von Wasserstrahlen oder anderen Fluiden von bis
zu 6,895·108 Pa (100.000 psi) und darüber hinaus
und durch Richten dieser Strahlen gegen die Substrate zu reinigen,
zu schneiden oder anders zu behandeln. Die Fluidstrahlen können eine
Vielzahl an Querschnittsformen und Größen aufweisen, abhängig von
der betreffenden Anwendung. Zum Beispiel können die Strahlen eine relativ
kleine, runde Querschnittsform zum Schneiden der Substrate aufweisen
und können
eine größere und/oder
unrunde Querschnittsform zum Reinigen oder anderem Behandeln der
Oberflächen
der Substrate aufweisen.
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Ein
Nachteil bei herkömmlichen
Fluidstrahlen ist, dass diese bestimmte Materialien, wie zum Beispiel
Fiberglas, Kleidung und spröden
Kunststoff, abreißen
oder deformieren können.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Effektivität von herkömmlichen Fluidstrahlen besonders
empfindlich hinsichtlich des Abstandes zwischen dem Substrat und
der Düse, durch
welche der Fluidstrahl austritt, sein kann. Entsprechend kann es
schwierig sein, gleichmäßig Substrate
zu behandeln, die eine variable Oberflächentopografie aufweisen. Es
kann auch schwierig sein, die gleiche Druckstrahlvorrichtung zu
verwenden, um eine Vielzahl an unterschiedlichen Substraten zu behandeln.
Noch ein weiterer Nachteil ist es, dass einige herkömmliche
Fluidstrahldüsen,
insbesondere für unrunde
Fluidstrahlen, schwierig und/oder mit hohem Aufwand herzustellen
zu sind.
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Entsprechend
besteht der Bedarf nach dem Stand der Technik für eine verbesserte Fluidstrahlvorrichtung,
die relativ einfach herzustellen ist, und die geeignet ist, eine
Vielzahl an Substraten zu schneiden oder anderweitig zu behandeln,
ohne überempfindlich
auf die Abstandsentfernung zwischen der Düse und dem Substrat zu sein.
Die vorliegende Erfindung erfüllt
diesen Bedarf und schafft weiter entsprechende Vorteile.
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In
der europäischen
Patentanmeldung
EP 382
319 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchstechen
von spröden
Kunststoffmaterialien mit abrasivgeladenen Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen
offenbart. Darin wird ein abrasives Strahlsystem zum Schneiden von
spröden
Materialien offenbart. Ein Merkmal des offenbarten Systems ist eine
strahlerzeugende Düsenanordnung, welche
Mittel zum Erzeugen von Turbulenzen in der strahlbildenden Flüssigkeit
während
der Zeitdauer umfasst, in welcher der Strahl anfangs auf das spröde Material
auftrifft, so dass die Schlagbeanspruchung auf das Material verringert
ist. Ein zweites darin offenbartes Merkmal ist eine zusätzliche
Ansaugvorrichtung, bevorzugt in der Form einer zweiten Düse, die
für ein
maximales Ansaugen bemessen ist, welche eine im Wesentlichen konstante
Zuführrate von
einem abrasiven Mittel in die Schneiddüsenanordnung während der
Turbulenz erzeugenden Phase während
des Betriebes zuführt.
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In
der europäischen
Patentanmeldung
EP 391
500 A2 ist eine abrasive Strahldüsenanordnung für Kleinlochbohren
und zum Schneiden von dünnen Fugen
veröffentlicht.
Solche Anordnungen umfassen einen Mischbereich, in dem abrasive
Partikel in einem Hochgeschwindigkeitswasserstrahl mitgerissen werden,
der gebildet wird, wenn Hochdruckwasser durch eine strahlbildende Öffnung gezwungen
wird. Zwischen den einzelnen Elementen der Düsenanordnung befinden sich
nach innen verjüngende
abrasive Wege unmittelbar stromaufwärts des Mischbereichs, Spülleitungen
unmittelbar stromaufwärts
und stromabwärts
des Mischbereichs und auslassende Durchlässe stromaufwärts des
Mischbereichs ausgebildet, welche das Zurückfliegen von abrasivem Schmutz
zu der strahlbildenden Öffnung
verhindern.
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Ein
Schneidkopf für
eine Wasserstrahlschneidanordnung, welche Wasser oder ein anderes flüssiges Medium
bei ultrahohem Druck verwendet, mit dem Schneidkopf, der eine Anordnung
in einem länglichen
Gehäuse
umfasst, mit einer zentralen Bohrung ent lang seiner Achse und einschließend eine
Förderdüse an dem
distalen Ende der Anordnung, ist in dem US-Patent
US 5,851,149 beschrieben.
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In
dem US-Patent
US 4,555,872 ist
ein partikelbeinhaltendes Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahlverfahren veröffentlicht.
Das Verfahren zum Einführen
fester Partikel in Fluidströme
unter betätigter Steuerung
ist in diesem Dokument genauso veröffentlicht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Zusammengefasst
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß Ansprüchen 19
bzw. 1. In einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung kann der Fluidstrahl zwei Fluide umfassen: ein erstes
Fluid und ein zweites Fluid. Das erste Fluid kann durch eine Düsenöffnungen
und in eine Stromabwärtsleitung
strömen.
Zumindest eine der Düsen
und der Leitungen kann eine Öffnung
aufweisen, die ausgebildet ist, um mit einer Quelle des zweiten
Fluids so gekoppelt zu sein, dass das zweite Fluid mit dem ersten
Fluid mitgerissen wird und die zwei Fluide die Leitung durch eine
Ausgangsöffnung verlassen.
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In
einem Aspekt dieses Ausführungsbeispiels
kann der Druck des ersten und/oder des zweiten Fluids gesteuert
werden, um eine erwünschte Wirkung
zu erzielen. Zum Beispiel kann das zweite Fluid einen im Wesentlichen
niedrigeren Druck relativ zu dem ersten Fluiddruck aufweisen, um
die Kohärenz
des Fluidstrahls zu erhöhen,
oder das zweite Fluid kann einen höheren Druck aufweisen, um die Kohärenz des
Fluidstrahls zu senken. In einem anderen Aspekt diese Ausführungsbeispiels
kann der Fluss des zweiten Fluids umgekehrt werden, so dass dieser
durch die Ausgangsöffnung
der Leitung herein und durch die Öffnung heraus gezogen wird.
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In
einem Verfahren gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann der Fluidstrahl, der die Leitung verlässt, zu
einem faserartigen Material gelenkt werden, um das Material zu schneiden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann die Leitung drehbar ausgebildet sein und das Verfahren
kann das Drehen der Leitung umfassen, um den Fluidstrahl zu der
Wand einer zylindrischen Öffnung
zu lenken, wie zu der Bohrung eines Fahrzeugmotorblocks.
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In
noch weiteren Ausführungsbeispielen können andere
Vorrichtungen verwendet werden, um die Turbulenz des Fluids zu manipulieren,
welches durch die Düse
strömt,
und somit die Kohärenz
des resultierenden Fluidstrahls. Zum Beispiel können Turbulenzerzeuger wie
zusätzliche
Düsenöffnungen, ein
Vorsprung oder eine konische Flusspassage stromaufwärts der Öffnung positioniert
werden, um die Turbulenz des Flusses, welcher die Düsenöffnung erreicht,
zu erhöhen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine teilweise schematische, teilweise quer geschnittene Seitenansicht
einer Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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1B ist
eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht
eines Teils der Vorrichtung, die in 1A dargestellt
ist.
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2 ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung
mit einem Lieferleitungsgehäuse
gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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3 ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung
mit einem zweiten Fluss, der an zwei axial voneinander beabstandeten Stellen
gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingeführt
wird.
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4A ist
eine teilweise quer geschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung
mit einer entfernbaren Düsen-
und Leitungsanordnung gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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4B ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht der Vorrichtung,
die in 4A gezeigt ist.
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5 ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung
mit einer Vielzahl an drehbaren Düsen zur Behandlung einer zylindrischen Bohrung
gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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6 ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung
mit einer auseinanderlaufenden, konischen Leitung gemäß noch einem anderen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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7 ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung
mit einer stromaufwärts
liegenden Düse
und einer stromabwärts
liegenden Düse,
die axial stromabwärts
von der stromaufwärts
gerichteten Düse
gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung angeordnet ist.
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8A ist
eine quer geschnittene Seitenansicht einer Düsenkartusche gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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8B ist
eine quer geschnittene Seitenansicht einer Düsenkartusche gemäß einem
ersten alternativen Ausführungsbeispiel
der Düsenkartusche, die
in 8A dargestellt ist.
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8C ist
eine quer geschnittene Seitenansicht einer Düsenkartusche gemäß einem
zweiten, alternativen Ausführungsbeispiels
der Düsenkartusche,
die in 8A dargestellt ist.
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8D ist
eine quer geschnittene Seitenansicht einer Düsenkartusche gemäß einem
dritten alternativen Ausführungsbeispiels
der Düsenkartusche,
die in 8A dargestellt ist.
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9 ist
eine quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung mit einer
konischen Leitung, die gegen eine Düsenunterstützung betrieben wird, gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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10 ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung
mit stromaufwärts und
stromabwärts
liegenden Düsen
und stromabwärts
liegenden Öffnungen
zum Mitreißen
eines zweiten Flusses gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Im
Allgemeinen wurden konventionelle Hochdruckfluidstrahlenverfahren-
und -vorrichtungen darauf gerichtet, ein Hochdruckfluid durch eine
Düsenöffnung zu
zwängen,
um hochfokussierte oder kohärente
Flüssigkeitsstrahlen
zu erzeugen, die durch ausgewählte
Materialien schneiden können oder
diese bearbeiten können.
Im Gegensatz dazu umfasst ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
das Steuern der Kohärenz
des Fluidstrahls durch Manipulieren des Turbulenzgrads des Fluids
stromaufwärts
und/oder stromabwärts
der Düsenöffnung.
Der Turbulenzgrad kann mit einem Turbulenzerzeuger oder Turbulenz
erzeugenden Mitteln manipuliert werden, die zum Beispiel eine zweite Öffnung stromaufwärts der
Düsenöffnung oder
einen Vorsprung, der sich in den Fluss stromaufwärts der Düsenöffnung erstreckt, umfassen.
Alternativ kann das Turbulenz erzeugende Mittel eine Öffnung oder
mehrere Öffnungen
stromabwärts
der Düsenöffnung umfassen, durch
welche ein zweites Fluid entweder eingepumpt oder herausgezogen
wird. Der Druck des zweiten Fluids kann so ausgewählt sein,
um entweder die Kohärenz
des resultierenden Fluidstrahls zu erhöhen oder zu senken. Entsprechend
ist die folgende Beschreibung auf eine Vielzahl an Kohärenzsteuervorrichtungen
und -verfahren gerichtet, einschließlich eines Turbulenzerzeugungsmittels,
das die Kohärenz des
Fluidstrahls verringern kann, sowie ein Mittel zum Erhöhen der
Kohärenz
des Fluidstrahls.
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Eine
Fluidstrahlvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 1A und 1B dargestellt.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Zuführleitung 40, die
ein erstes Fluid zu einer Düse 30 zuführt. Die
Vorrichtung 10 kann weiter einen Turbulenzerzeuger 75 umfassen,
welcher gemäß einem Aspekt
der Erfindung zweite Flussöffnungen 22 umfasst,
die ein zweites Fluid mit dem ersten Fluid mitreißen. Die
ersten und zweiten Fluide können
zusammen in eine axiale, längliche
Lieferleitung 50 strömen und
die Lieferleitung 50 in der Form eines Fluidstrahls 90 verlassen,
der auf ein darunter befindliches Substrat 80 auftrifft.
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Insbesondere
kann die Vorrichtung 10 eine Zufuhr für das erste Fluid 41 (schematisch
in 1A dargestellt) umfassen, welches mit der Zuführleitung 40 gekoppelt
ist. Die Zufuhr für
das erste Fluid 41 kann ein Fluid in einer Gasphase, wie
Luft, oder ein Fluid in einer Flüssigphase,
wie Wasser, Saline oder andere geeignete Fluide, zuführen. Die
Zufuhr für das
erste Fluid 41 kann auch ein Druckmittel umfassen, wie
eine Pumpe mit einem Verstärker
oder eine andere Hochdruckeinrichtung, um das erste Fluid bis zu
6,895·108 Pa (100.000 psi) Druck und darüber hinaus
zu beaufschlagen. Zum Beispiel sind direkt angetriebene Pumpen,
die geeignet sind, um Drücke bis
zu 3,447·108 Pa (500.000 psi) zu erzeugen und Pumpen
mit Verstärkern,
die geeignet sind, Drücke bis
zu 6,895·108 Pa (100.000 psi) und darüber hinaus zu
erzeugen, erhältlich
von Flow International Corp. of Kent, Washington, oder Ingersoll-Rand
of Baxters Springs, KS. Der bevorzugt ausgewählte Druck und die gewählte Pumpe
können
abhängig
von den Eigenschaften des Substrats 80 und von der angedachten
Wirkung des Fluidstrahls 90 auf das Substrat 80 abhängen, wie
detaillierter weiter unten erörtert wird.
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Die
Zuführleitung 40 ist
stromaufwärts
der Düse 30 positioniert.
In einem Ausführungsbeispiel kann
die Düse 30 relativ
zu der Zuführleitung 40 durch
eine Düsenunterstützung 20 unterstützt werden.
Eine Halterung 21 kann über
ein Gewinde mit der Zuführleitung 40 im
Eingriff stehen und die Düsenunterstützung 20 (mit
der installierten Düse 30)
in Eingriff mit der Zuführleitung 40 vorspannen.
Die Düsenunterstützung 20 kann
eine Passage 27 umfassen, welche die Düse 30 aufnimmt und
das erste Fluid durch die Düse 30 lenkt.
Eine ringförmige
Düsenabdichtung 35 (1B)
kann die Schnittstelle zwischen der Düse 30 und der Düsenunterstützung 20 abdichten.
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Die
Düse 30 kann
eine Düsenöffnung 33 (1B)
aufweisen, die sich durch die Düse
von einer Eingangsöffnung 31 zu
einer Ausgangsöffnung 32 erstreckt.
In einem Ausführungsbeispiel
kann die Düsenöffnung 33 eine
im Wesentlichen achsensymmetrische Querschnittsform aufweisen, die
sich von der Eingangsöffnung 31 zu
der Ausgangsöffnung 32 erstreckt,
und in anderen Ausführungsbeispielen kann
ein Teil oder können
mehrere Teile der Düsenöffnung 33 eine
im Wesentlichen elliptische oder anders geformte Querschnittsform
zum Erzeugen von Fluidstrahlen mit korrespondierenden, nicht achsensymmetrischen
Querschnittsformen aufweisen. Die Düse 30 kann mit Saphiren,
Diamanten oder anderen harten Materialien gefertigt werden, die
den hohen Drücken
und Belastungen Stand halten können,
die durch das erste Hochdruckfluid erzeugt werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist eine Mitreißregion 59 (1A)
stromabwärts
der Düse 30 angeordnet.
In einem bevorzugten Aspekt dieses Ausführungsbeispiels weist die Mitreißregion 59 einen
Flussbereich auf, der größer ist,
als der der Düsenöffnung 33,
um es zu ermöglichen,
dass das zweite Fluid durch die zweiten Flussöffnungen 22 mitgerissen
wird. In dem Ausführungsbeispiel,
das in 1A dargestellt ist, sind vier
kreisförmige
zweite Flussöffnungen 22 (drei
von denen sind in 1A sichtbar) in etwa der gleichen
axialen Stelle relativ zu der Düse 30 voneinander
beabstandet. In alternativen Ausführungsbeispielen können mehr
oder weniger zweite Flussöffnungen 22 mit
den gleichen oder anderen Querschnittsformen irgendwo entlang einer Flusspassage
positioniert werden, die sich stromabwärts der Ausgangsöffnung 32 erstreckt.
Die zweiten Flussöffnungen 22 können im
Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Flusses durch die Mitreißregion 59 (wie
in 1A dargestellt) orientiert sein, oder in einem
spitzen oder stumpfen Winkel relativ zu der Flussrichtung, wie detaillierter
weiter unten in Bezug auf 3 diskutiert
wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann der Bereich radial außerhalb
der zweiten Flussöffnungen 22 mit
einem Verteiler 52 umschlossen sein, um einheitlicher das
zweite Fluid an die zweiten Flussöffnungen 22 zu verteilen.
Der Verteiler 52 kann einen Verteilereingang 56 umfassen,
der mit einer Zufuhr für
ein zweites Fluid 51 (schematisch in 1A dargestellt) gekoppelt
ist. In einem Ausführungsbeispiel
kann die Zufuhr für
ein zweites Fluid 51 ein Gas, wie Luft, Sauerstoff, Nitrogenium,
Karbondioxid oder ein anderes geeignetes Gas, zu dem Verteiler 52 zuführen. In
anderen Ausführungsbeispielen
kann die Zufuhr für
das zweite Fluid 51 eine Flüssigkeit zu dem Verteiler 52 zuführen. In
jedem Ausführungsbeispiel
kann das zweite Fluid ausgewählt
werden, um eine erwünschte
Wirkung auf die Kohärenz
des Fluidstrahls 90 zu haben, wie weiter unten detaillierter
erörtert
wird.
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Die
Lieferleitung 50, die stromabwärts zu der Mitreißregion 59 positioniert
ist, kann die ersten und zweiten Fluide empfangen, um den Fluidstrahl 90 zu bilden.
Entsprechend kann die Lieferleitung 50 eine stromaufwärts liegende Öffnung 54 aufweisen,
die stromabwärts
zu den zweiten Flussöffnungen 22 positioniert
ist. Die Lieferleitung 50 kann weiter eine stromabwärts liegende Öffnung 55,
durch welche der Fluidstrahl 90 austritt, und einen Kanal 53,
der sich zwischen der stromaufwärtigen Öffnung 54 und
der stromabwärtigen Öffnung 55 erstreckt,
umfassen. Die Lieferleitung 50 kann mit der Halterung 21 durch jedes
der verschiedenen konventionellen Mittel, einschließlich Klebmittel,
verbunden werden, und kann Materialien umfassen (wie einen rostfreien
Stahl), die resistent gegen Verschleißkräfte des Fluidstrahls 90 sind,
wenn der Fluidstrahl 90 durch die Lieferleitung 50 strömt.
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist das Flussbereich durch den Flusskanal 53 der Lieferleitung 50 größer als
der kleinste Durchmesser der Düsenöffnung 33 durch
die Düse 30,
um es zu ermöglichen, dass
der Flussbereich groß genug
ist für
das erste Fluid, um das zweite Fluid mitzureißen. Zum Beispiel kann die
Düsenöffnung 33 einen
minimalen Durchmesser von zwischen 0,0762 mm und 1,27 mm (0,003
Inch und 0,05 Inch) aufweisen und die Lieferleitung 50 kann
einen minimalen Durchmesser von zwischen 0,254 mm und 2,54 mm (0,01
Inch und 0,10 Inch) aufweisen. Die Lieferleitung 50 kann
eine Gesamtlänge
(zwischen der stromaufwärtigen Öffnung 54 und
der stromabwärtigen Öffnung 55)
von zwischen 10 und 200-mal der Größe des mittleren Durchmessers
der Öffnung
stromabwärts
der Lieferleitung 50 aufweisen, um ein ausreichendes Mischen des
zweiten Fluids mit dem ersten Fluid zu ermöglichen. Wie hier verwendet,
bezieht sich der mittlere Durchmesser der stromabwärtsliegenden Öffnung 55 auf
die lineare Abmessung, welche, wenn sie quadriert wird, mit Pi multipliziert
wird (etwa 3,1415) und durch vier dividiert wird, dem Flussbereich
der stromabwärts
liegenden Öffnung 55 entspricht.
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Die
Geometrie der Vorrichtung 10 und die Eigenschaften des
ersten und zweiten Fluids können auch
ausgewählt
werden, um eine erwünschte
Wirkung auf das Substrat zu erzeugen. Zum Beispiel kann, wenn die
Vorrichtung 10 verwendet wird, um faserartige Materialien
zu schneiden, das erste Fluid als Wasser mit einem Druck von zwischen
etwa 1,724·108 Pa (25.000 psi) und etwa 6,895·108 Pa (100.000 psi) (bevorzugt etwa 3,792·108 Pa [55.000 psi]) ausgebildet sein und das
zweite Fluid kann Luft bei einem Druck von zwischen Umgebungsdruck (bevorzugt)
und etwa 6,895·104 Pa (10 psi) sein. Wenn der minimale Durchmesser
der Düsenöffnung 33 zwischen
etwa 0,127 mm (0,005 Inch) und etwa 0,508 mm (0,020 Inch) (bevorzugt
bei etwa 0,1778 mm (0,007 Inch)) liegt, kann der minimale Durchmesser
der Lieferleitung 50 zwischen etwa 0,254 mm (0,01 Inch)
und zwischen 2,54 mm (0,10 Inch), bevorzugt etwa 0,58 mm (0,020
Inch) liegen und die Länge der
Lieferleitung 50 kann zwischen etwa 2,54 cm und 12,7 cm
(1,0 und 5,0 Inch) (bevorzugt etwa 5,08 cm (2,0 Inch)) liegen.
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Alternativ
kann, wenn die Vorrichtung 10 verwendet wird, um Aluminiumsubstrat
kalt zu verfestigen, das erste Fluid Wasser bei einem Druck von
zwischen etwa 6,895·107 Pa (10.000 psi) und etwa 6,895·108 Pa (100.000 psi) (bevorzugt etwa 3,103·108 Pa (45.000 psi)) sein und das zweite Fluid kann
Wasser bei einem Druck von zwischen Umgebungsdruck und etwa 6,895·105 Pa (100 psi) (bevorzugt etwa 4,1369·105 Pa (60 psi)) sein, das mit einer Rate von
zwischen etwa 0,18927 Liter pro Minute (l/min) (0,05 Gallonen pro
Minute (gpm)) und etwa 1,8927 Liter pro Minute (l/min) (0,5 gpm)
(bevorzugt etwa 0,1 gpm) zugeführt
wird. Der minimale Durchmesser der Düsenöffnung 33 kann etwa
zwischen 0,124 mm (0,005 Inch) und etwa 0,58 mm (0,020 Inch) (bevorzugt
etwa 0,254 mm (0,01 Inch)) liegen und die Lieferleitung 50 kann
einen Durchmesser von zwischen 0,381 mm (0,015 Inch) und etwa 1,778
mm (0,2 Inch) (bevorzugt etwa 0,762 mm (0,03 Inch)) aufweisen und
eine Länge
von etwa zwischen 9,525 mm (0,375 Inch) und etwa 76,2 cm (30 Inch)
(bevorzugt etwa 10,16 cm (4 Inch)) aufweisen. Eine Abstandsentfernung 60 zwischen
dem Substrat 80 und der Öffnung stromabwärts 55 der
Leitung 50 kann etwa zwischen 2,54 cm (1,0 Inch) und etwa
25,4 cm (10,0 Inch) (bevorzugt etwa 76,2 mm (3,0 Inch)) betragen.
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Der
Massenfluss und -druck des zweiten Fluids relativ zu dem ersten
Fluid kann gesteuert werden, um die Kohärenz des Fluidstrahls 90 zu
beeinflussen. Zum Beispiel kann dort, wo das erste Fluid Wasser
bei einem Druck von zwischen 6,895·107 und 6,895·108 Pa (10.000 und 100.000 psi) beträgt und das
zweite Fluid Luft ist bei einem Umgebungsdruck oder einem Druck
von etwa zwischen 20.684 Pa (3 psi) und etwa 1,37895·105 Pa (20 psi), die Flussrate des zweiten
Fluids etwa zwischen 1% und etwa 20% der Flussrate des ersten Fluids
betragen. Bei diesen Flussraten kann das zweite Fluid die Kohärenz des Fluidstrahls 90 verringern,
wodurch bewirkt wird, dass dieses von einem hochfokussierten Fluidstrahl zu
einem mehr verteilten (oder weniger kohärenten) Fluidstrahl sich verändert, der
diskrete Fluidtropfen umfasst.
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In
jedem der vorstehenden und nachfolgenden Verfahren kann die Vorrichtung 10 relativ
zu dem Substrat 80 oder anders herum bewegt werden, um den
Fluidstrahl 90 entlang eines ausgewählten Weges über die
Oberfläche
des Substrats 80 zu bewegen. Die Geschwindigkeit, die Größe, die
Form und der Abstand der Tropfen, welche den Fluidstrahl 90 bilden,
kann gesteuert werden, um einen erwünschten Effekt (d. h. Schneiden,
Fräsen,
Kaltverhärten oder
Aufrauen) an dem Substrat 80 zu erzeugen.
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Ein
Vorteil des verteilten Fluidstrahls 90 ist, dass dieser
effektiver durch bestimmte faserartige Materialien wie Kleidung,
Filz und Glasfasern schneiden kann, genauso wie durch bestimmte
spröde
Materialien, wie einige Kunststoffe. Zum Beispiel kann der dispergierte
Fluidstrahl durch faserartige Materialien schneiden, ohne ausgefranste
Kanten zu hinterlassen, welche typisch für Schnitte sind, die mittels konventioneller
Strahlen gemacht wurden.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Eigenschaften des dispergierten Fluidstrahls 90 über eine
größere Distanz
stromabwärts
der stromabwärtsgelegenen Öffnung 55 der
Lieferleitung 50 aufrecht gehalten werden können, auch
wenn der Fluidstrahl selbst divergierend ausgebildet ist. Zum Beispiel
ist es weniger wahrscheinlich, dass, wenn einmal der Fluidstrahl 90 das
zweite Fluid in der gesteuerten Umgebung innerhalb der Leitung 50 mitgerissen
hat, jegliche zusätzliche
Umgebungsluft mitgerissen wird, nachdem diese die Leitung 50 verlassen
hat, und es kann deshalb stabiler ausgebildet sein. Entsprechend
kann der Fluidstrahl 90 effektiv über einen größeren Bereich
von Abstandsdistanzen 60 ausgebildet sein. Diese Wirkung
ist insbesondere vorteilhaft, wenn die gleiche Vorrichtung 10 verwendet
wird, um mehrere Substrate 80 zu bearbeiten, die an unterschiedlichen
Abstandsdistanzen 60 von der stromabwärts liegenden Öffnung 55 angeordnet
sind.
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Noch
ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 10 ist, dass bestehende
Düsen 30,
die auf herkömmliche
Weise kohärente
Strahlen erzeugen, in der Vorrichtung installiert werden können, um
dispergierte Fluidstrahlen 90 zu erzeugen, ohne Veränderung
der Geometrie der bestehenden Düsen 30 vorzunehmen.
Entsprechend können
Benutzer kohärente
und dispergierte Strahlen mit den gleichen Düsen erzeugen.
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Die
Vorrichtung 10, die in 1 dargestellt ist,
kann gemäß einer
Vielzahl an Verfahren verwendet werden, um eine korrespondierende
Vielzahl an Ergebnissen zu erzielen. Zum Beispiel kann, wie zuvor
erörtert,
das zweite Fluid in den Fluidstrahl 90 eingefügt werden,
um den Fluidstrahl 90 zu dispergieren und die Effektivität, mit welcher
der Strahl durch faserartige Materialien schneidet, zu erhöhen. In
einem anderen Aus führungsbeispiel
kann das zweite Fluid mit einem niedrigeren Druck (in dem Bereich
von etwa zwischen 2 psi und etwa 3 psi in einem Ausführungsbeispiel)
eingefügt
werden, um die Kohärenz des
Fluidstrahls 90 zu erhöhen.
In einem anderen Aspekt dieses Ausführungsbeispiels weist das zweite Fluid
eine im Wesentlichen niedrigere Viskosität auf als das erste Fluid und
kann einen ringförmigen
Puffer zwischen dem ersten Fluid und den Wänden der Leitung 50 bilden.
Der Puffer kann die Reibung zwischen dem ersten Fluid und den Leitungswänden verringern
und kann entsprechend die Tendenz des ersten Fluids zu dispergieren
verringern.
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In
noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann
das zweite Fluid ein kriogenisches Fluid wie flüssiger Stickstoff sein, oder
kann auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des ersten Fluids
gekühlt
werden, so dass wenn das erste und das zweite Fluid sich mischen,
Teile des ersten Fluids einfrieren können und gefrorenen Partikel
bilden können.
Die gefrorenen Partikel können
verwendet werden, um die Oberfläche
des Substrats 80 kalt zu härten, aufzurauen oder anderweitig
zu bearbeiten.
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In
noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann
der Fluss des zweiten Fluids und/oder des ersten Fluids pulsiert
werden, um einen Strahl zu bilden, der unterbrochene hohe Energieschübe aufweist. Das
Fluid kann durch Regulieren entweder der Massenflussrate oder des
Druckes des Fluids pulsiert werden. In einem weiteren Aspekt dieses
Ausführungsbeispiels
kann die Rate, mit welcher das Fluid pulsiert wird, ausgewählt werden
(basierend auf der Länge
der Lieferleitung 50), um Schwingungen zu erzeugen, die
bewirken, dass der Fluidstrahl 90 eine Resonanz erfährt und
dadurch die Energie jedes Pulses erhöht.
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In
noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann
die Zufuhr des zweiten Fluids 51 umgekehrt betrieben werden
(d. h. als eine Unterdruckquelle statt als eine Pumpe) um einen
Unterdruck aufwärts
durch die stromabwärtsgelegene Öffnung 55 der
Lieferleitung 50 und durch die Öffnungen 22 zu ziehen.
Die Wirkung eines Ziehens eines Unterdrucks von der stromabwärtsgelegenen Öffnung 55 durch
die Lieferleitung 50 wurde als derart beobachtet, dass
dieses ähnlich
zu einem Mitreißen
des Flusses durch die zweiten Flussöffnungen 22 ist und
kann entweder die Kohärenz
des Fluidstrahls 90 verringern oder erhöhen. Zum Beispiel wurde in
einem Ausführungsbeispiel
Unterdruckdrücke
von etwa zwischen 20 bis 26 in·Hg
(Unteratmosphärendruck)
beobachtet, um die Kohärenz des
Fluidstrahls 90 zu erhöhen.
Bei diesen Drücken
kann der Unterdruck die Menge an Luft in der Mitreißregion 59 verringern
und kann entsprechend die Reibung zwischen dem ersten Fluid und Luft
in der Mitreißregion 59 verringern.
Bei anderen Unterdrücken
zwischen atmosphärischen
Druck und 20 in·Hg
unter atmosphärischen
Druck kann die Kohärenz
des Fluidstrahls 90 verringert werden.
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In
noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann
das zweite Fluid ausgewählt
werden, um eine vorbestimmte Wirkung auf das Substrat 80 zu
haben. Zum Beispiel kann in einem Ausführungsbeispiel das zweite Fluid
eine Flüssigkeit
sein und der resultierende Fluidstrahl 90 kann zum Kaltverhärten oder
anderem Deformieren des Substrats 80 verwendet werden.
Alternativ kann das zweite Fluid ein Gas sein und der resultierende
Fluidstrahl 90 kann zum Kugelstrahlen oder Schneiden, Oberflächentexturieren oder
anderen Bearbeitungen, die das Entfernen von Material von dem Substrat 80 umfassen,
verwendet werden.
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2 ist
eine quer geschnittene Seitenansicht einer Fluidstrahlvorrichtung 110 mit
einer Düsenunterstützung 120 gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Wie in 2 dargestellt, weist die Düsenunterstützung 120 eine
stromabwärtsgeneigte
obere Oberfläche 125 auf,
um entsprechende abwärts
geneigte untere Oberflächen 126 einer
Zuführleitung 140 eingreifend
aufzunehmen. Die Düsenunterstützung 120 ist
in Position gegen die Zuführleitung 140 mit
einer Halterung 121 gehalten. Die Halterung 121 bildet
einen Verteiler 152 zwischen einer inneren Oberfläche der
Halterung und einer äußeren Oberfläche der
Düsenunterstützung 120.
Zweite Flussöffnungen 122 lenken
das zweite Fluid von dem Verteiler 152 zu einer Mitreißregion 159 stromabwärts der
Düse 30.
Der Verteiler 152 kann mit einem Verteilereingang 156 an
die Zufuhr für
das zweite Fluid 51 gekoppelt werden (1A).
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Es
ist in 2 auch dargestellt, dass die Vorrichtung 110 ein
Gehäuse 170 um
die stromabwärtsgelegene Öffnung 55 der
Lieferleitung 50 umfassen kann. Das Gehäuse 170 kann sich
zwischen der Lieferleitung 50 und dem Substrat 80 erstrecken,
um zu verhindern, dass Fremdkörper
durch den Aufprall des Fluidstrahls 90 auf das Substrat 80 durch
Streuung erzeugt werden. in einem Aspekt dieses Ausführungsbeispiels
können
die Wände
des Gehäuses 170 transparent
sein, um es einem Bediener zu er möglichen, den Fluidstrahl 90 und
das Substrat 80 unmittelbar benachbart zu dem Fluidstrahl
zu betrachten.
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In
einem anderen Aspekt dieses Ausführungsbeispiels
kann das Gehäuse 170 einen
ersten Anschluss 171 umfassen, der mit einer Unterdruckquelle
(nicht dargestellt) gekoppelt werden kann, um Fremdkörper, die
durch den Aufprall des Fluidstrahls 90 auf das Substrat 80 erzeugt
wurden, zu evakuieren. Alternativ (zum Beispiel wenn ein Unterdruck
an den Öffnungen 122 anliegt)
kann Luft in ein anderes Gas durch den ersten Anschluss 171 zum
Evakuieren bis hoch zu der Lieferleitung 50 auf eine Weise zugeführt werden,
die im Wesentlichen ähnlich
zu der zuvor Diskutierten ist in Bezug auf 1A bis 1B.
In einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel kann ein Fluid
durch den ersten Anschluss 171 zugeführt und durch einen zweiten
Anschluss 172 herausgeführt
werden. Zum Beispiel kann, wenn es erwünscht ist, eine inerte Umgebung
an der Kontaktstelle zwischen dem Fluidstrahl 90 und dem
Substrat 80 zu bewahren, ein Inertgas wie Nitrogenium in das
Gehäuse 170 durch
den ersten Anschluss 171 eingepumpt und durch den zweiten
Anschluss 172 entfernt werden.
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3 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung 210 mit
zwei Verteilern 252 (dargestellt als ein stromaufwärts liegender
Verteiler 252a und ein stromabwärtsgelegener Verteiler 252b) gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Wie in 3 dargestellt, kann der stromaufwärtsgelegene
Verteiler 252a stromaufwärtsgelegene Flussöffnungen 222a umfassen,
die ein zweites Fluid in eine stromaufwärtsgelegenen Mitreißregion 259a einfügen und
der stromabwärtsgelegene
Verteiler 252b kann stromabwärtsgelegene Flussöffnungen 222b umfassen,
die ein zweites Fluid zu einer stromabwärtsgelegenen Mitreißregion 259b einführen. In
einem Ausführungsbeispiel
können
die stromaufwärts-
und stromabwärtsgelegenen Öffnungen 222a und 222b den
gleichen Durchmesser aufweisen. In einem anderen Ausführungsbeispiel
können die
stromaufwärtsgelegenen Öffnungen 222 einen Durchmesser
aufweisen, der unterschiedlich zu den stromabwärtsgelegenen Öffnungen 222b ist,
so dass die Menge an zweitem Fluss, die in der stromaufwärtsgelegene
Mitreißregion 259a mitgerissen
wird, unterschiedlich sein kann, zu der Menge an Fluss, die in der
stromabwärtsgelegenen
Mitreißregion 259b mitgerissen
wird. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel
können
die stromaufwärtsgelegenen Öffnungen 222a und/oder
die stromabwärtsgelegenen Öffnungen 222b in
einem Winkel orientiert sein, der größer oder kleiner ist als 90° relativ
zu der Flussrichtung des ersten Fluids. Zum Beispiel können, wie
in 3 dargestellt, die stromaufwärtsgelegenen Öffnungen 222a in
einem Winkel kleiner als 90° relativ
zu der Flussrichtung des primären
Fluids orientiert sein.
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Die
stromaufwärtsgelegene
Mitreißregion 259a kann
mit der stromabwärtsgelegenen
Mitreißregion 259b mit
einer stromaufwärtsgelegenen
Lieferleitung 250a gekoppelt sein. Eine stromabwärtsgelegene
Lieferleitung 250b kann sich von der stromabwärtsgelegenen
Mitreißregion 259b zu
dem Substrat 80 erstrecken. Der innere Durchmesser der
stromabwärtsgelegenen
Lieferleitung 250b kann größer sein als der der stromaufwärtsgelegenen
Lieferleitung 250a, um den zusätzlich mitgerissenen Fluss
in der stromabwärtsgelegenen
Mitreißregion 259b aufzunehmen.
Die stromaufwärts- und stromabwärtsgelegenen
Verteiler 252a und 252b können an die gleiche oder unterschiedliche
Quellen eines sekundären Flusses 51 (1A) über Verteilereingänge 256a bzw. 256b gekoppelt
sein, um den zweiten Fluss zu den Mitreißregionen 259 zuzuführen.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in 3 gezeigt ist, umfasst die Vorrichtung 210 zwei
Verteiler 252. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 210 mehr
als zwei Verteiler und/oder einen einzelnen Verteiler umfassen,
welche das zweite Fluid zu den Flussöffnungen zuführen, die
axial voneinander beabstandet zwischen der Düse 30 und dem Substrat 80 sind.
Darüber
hinaus können,
während jeder
Verteiler 252 vier Öffnungen 222 in
dem Ausführungsbeispiel,
das in 3 dargestellt ist (drei von denen sind in 3 sichtbar),
umfasst, die Verteiler mehr oder weniger Öffnungen 222 in anderen
Ausführungsbeispielen
aufweisen.
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Ein
Vorteil der Vorrichtung 210, die in 3 dargestellt
ist, ist das diese leichter die Eigenschaften des Fluidstrahls 90 durch
Zuführen
des zweiten Fluids an zwei (oder mehreren) axialen Stellen stromabwärts der
Düse 30 steuern
kann. Darüber
hinaus können
die stromaufwärts-
und stromabwärtsgelegenen Verteiler 252a und 252b an
unterschiedliche Zuführungen
für das
zweite Fluid gekoppelt werden, um einen Fluidstrahl 90 zu
erzeugen, der eine ausgewählte
Komposition und einen ausgewählten
Grad an Kohärenz
aufweist. Alternativ kann das gleiche Fluid an unterschiedliche
Drücke
und/oder Massenflussraten an jeden Verteiler 252 zugeführt werden.
In jedem Fall ist ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 210,
die in 3 dargestellt ist, dass es leichter sein kann,
die Eigenschaften des Fluidstrahls 90 durch Zuführen von
Fluiden mit unterschiedlichen Eigenschaften an jeden Verteiler 252 zu
steuern.
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4A ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung 310 mit
einer Düsenunterstützung 320,
die gleitbar entfernbar von einer Zuführleitung 340 ist.
Entsprechend umfasst die Zuführleitung 340 eine
Zugriffsöffnung 323,
in welche die Düsenunterstützung eingefügt werden
kann. Die Zuführleitung 340 umfasst
auch Abdichtungen 324, welche die Schnittstelle zwischen
der Zugriffsöffnung 323 und
der Düsenunterstützung 320 abdichten.
In einem Ausführungsbeispiel
kann eine Lieferleitung 350 separat hergestellt und an
der Düsenunterstützung 320 befestigt
werden und in einem anderen Ausführungsbeispiel
können
die Düsenunterstützung 320 und
die Lieferleitung 350 integral ausgebildet sein. In beiden
Fällen
kann die Düsenunterstützung 320 zweite
Flussöffnungen 322 umfassen,
welche das zweite Fluid der Lieferleitung 350 zuführen.
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4B ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Vorrichtung 310,
die in 4A dargestellt ist. Wie in 4B dargestellt,
kann die Düsenunterstützung 320 in
die Öffnung 323 in
die Richtung, die durch den Pfeil A gekennzeichnet ist, bewegt werden,
um die Düsenunterstützung 320 einzupassen und
die Düsenunterstützung mit
der Zuführleitung 340 abzudichten.
Wie ebenfalls in 4B dargestellt ist, ist die
Zugriffsöffnung 323 geöffnet, um
es zu ermöglichen,
dass das zweite Fluid in die zweiten Flussöffnungen 323 von der
Außenumgebung
eingesogen wird. In einem Ausführungsbeispiel
kann die Außenumgebung
(und deshalb das zweite Fluid) ein Gas wie Luft umfassen, und in
einem anderen Ausführungsbeispiel
können
die Außenumgebung
und das zweite Fluid eine Flüssigkeit
wie Wasser umfassen. In beiden Fällen
können
die Düsenunterstützung 320 und
die Lieferleitung 350 als eine Einheit entfernt werden,
in dem diese seitlich weg von der Zuführleitung 340 versetzt
werden, wie durch Pfeil B gekennzeichnet. Entsprechend können Bediener Kombinationen
aus einer Düsenunterstützung 320 und
einer Lieferleitung 350 mit einem Satz von ausgewählten Eigenschaften
mit anderen Kombinationen mit einem anderen Satz an ausgewählten Eigenschaften
austauschen. Ausgewählte
Eigenschaften können
zum Beispiel die Größe der Düse 30 (4A),
die Anzahl und Größe an zweiten
Flussöffnungen 322 und
die Größe der Lieferleitung 350 umfassen.
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5 ist
eine teilweise quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung 410 mit
drehbaren Zuführleitungen 450 gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiels
der Erfindung. In einem Aspekt dieser Erfindung kann die Vorrichtung 410 verwendet
werden, um die Wände 481 eines
Zylinders 480, zum Beispiel des Zylinders eines Fahrzeugmotorblocks, zu
bearbeiten. Die Vorrichtung 410 kann auch verwendet werden,
um andere achssymmetrische (oder nicht achssymmetrische) Kavitätsoberflächen, wie die
inneren Oberflächen
von Flugzeugflammenrohren, zu bearbeiten.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann die Vorrichtung 410 eine Zuführleitung 440 umfassen,
die drehbar mit einer ersten Fluidzuführung 41 (1A) mit
einer herkömmlichen
Rotationsdichtung (nicht dargestellt) drehbar gekoppelt ist, so
dass die Zuführleitung 440 um
ihre Hauptachse rotieren kann, wie durch Pfeil C dargestellt. Die
Zuführleitung 440 kann zwei
Düsenunterstützungen 420 (von
denen eine in 5 dargestellt ist) umfassen,
wobei jede eine Düse 30 in
fluider Kommunikation mit der Zuführleitung 440 aufweist.
Jede Düsenunterstützung 420 kann
integral oder anderweitig befestigt mit der korrespondierenden Lieferleitung 450 ausgebildet
sein und kann in Position relativ zu der Zuführleitung 440 mit
einer Halterung 421 gesichert sein. In einem bevorzugten
Aspekt dieses Ausführungsbeispiels
kann jede Lieferleitung 450 nach außen weg von der Achse der Rotation
der Zuführleitung 440 geneigt
sein, um so den Fluidstrahl 90 zu der Zylinderwand 481 zu lenken.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in 5 dargestellt ist, sind die Zuführleitungen 450 in
einem Winkel von etwa 45° relativ
zu den Zylinderwänden 481 geneigt.
In anderen Ausführungsbeispielen
kann der Winkel zwischen den Zuführleitungen 450 und den
Zylinderwänden 481 einen
unterschiedlichen Wert von nahe tangential bis 90° aufweisen.
Obwohl zwei Zuführleitungen 450 in 5 zu
Zwecken der Darstellung abgebildet sind, kann in anderen Ausführungsbeispielen
die Vorrichtung 410 mehr oder weniger Zuführleitungen
umfassen, die an der gleichen axialen Stelle (wie in 5 dargestellt)
oder an unterschiedlichen axialen Stellen angeordnet sind.
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Die
Vorrichtung 410 kann auch einen Verteiler 452 umfassen,
der um die Zuführleitung 440 angeordnet
ist. Der Verteiler umfasst Abdichtungen 457 (dargestellt
als obere Dichtung 457a und untere Dichtung 457b),
die eine fluiddichte Passung zwischen dem stationären Verteiler 452 und
der drehbaren Zuführleitung 440 aufweisen.
Ein zweites Fluid kann den Verteiler 452 durch den Verteilereingang 456 erreichen
und durch die Verteilerpassage 458 und durch die zweiten
Flussöffnungen 422 strömen, um mit
dem ersten Fluss mitgerissen zu werden, welcher durch die Düse 30 strömt. Der
erste und der zweite Fluss zusammen bilden den Fluidstrahl 90,
wie zuvor in Bezug auf 1A bis 1B erörtert.
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Ein
Vorteil eines Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung 410, die in 5 dargestellt
ist, ist das diese insbesondere geeignet ist, um die Oberflächen von
achssymmetrischen Geometrien wie Motorzylinderbohrungen zu bearbeiten.
Darüber
hinaus kann die gleiche Vorrichtung 410 verwendet werden,
um die Wände
von Zylindern mit einer großen
Vielfalt an Durchmessern zu behandeln, da (wie zuvor in 1A bis 1B erörtert),
die Eigenschaften der Fluidstrahlen 90 im Wesentlichen
konstant über
eine wesentliche Distanz über
die Zuführleitungen 450 verbleiben.
Zusätzlich
können
Bediener den Fluss des ersten Fluids (welches eine Flüssigkeit
sein kann) nachdem die Oberflächenbearbeitung
abgeschlossen ist, unterbrechen und das zweite Fluid allein (welches
Luft oder ein anderes Gas umfassen kann) zu den Zylinderwänden 48i lenken,
um die Zylinderwände
vor dem Aufbringen anderer Materialien, wie hochfeste Beschichtungen,
zu trocknen. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel können die hochfesten
Beschichtungen selbst an die Zylinderwände 481 über die
Vorrichtung 410 zugeführt
werden. Entsprechend kann die gleiche Vorrichtung 410 verwendet
werden, um eine große
Vielzahl an Funktionen, die mit dem Bearbeiten von Zylinderbohrungen
oder anderen Substratoberflächen
verbunden sind, bereitzustellen.
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6 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung 510 mit
einem Turbulenzerzeuger 575, der stromaufwärts einer
Düse 530 gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung angeordnet ist. Die Düse 530 wird unterstützt durch
eine Düsenunterstützung 520,
welche wiederum mit einer Zuführleitung 540 über eine
Halterung 521 auf eine Weise gekoppelt ist, die im Wesentlichen ähnlich zu
der ist, die in Bezug auf 1A bis 1B zuvor
erörtert
wurde. Wie weiter unten detaillierter erörtert wird, kann der Turbulenzerzeuger 575 anstelle
oder zusätzlich
zu dem zweiten Fluid, wie zuvor erörtert, verwendet werden, um
die Kohärenz
des Fluidstrahls 90, welcher aus der Düse 530 heraustritt, zu
steuern.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in 6 dargestellt ist, umfasst der Turbulenzerzeuger 575 eine
konische Leitung 576, die stromaufwärts zu der Düse 530 positioniert
ist. Die konische Leitung 576 ist so ausgerichtet, dass
das Flüssigkeitsgebiet
durch die Leitung sich in die stromabwärts gerichtete Richtung vergrößert. Entsprechend
neigt ein Fluss, der durch die konische Leitung 576 strömt, dazu,
sich von den inneren Wänden
der konischen Leitung 576 zu trennen, um dadurch Wirbelschleppen,
Wirbel und andere turbulente Flussstrukturen zu bilden. Nach dem
Austreten aus der Düse 530 kann
der turbulente Fluss in der Form eines Fluidstrahls 90 eine
erhöhte Neigung
zum Bilden diskreter Tropfen aufweisen, verglichen mit einem kohärenten Strahlfluss
(wie er durch eine konische Leitung erzeugt werden kann, die in
stromabwärtsgerichtete
Richtungen zusammenläuft).
Der Fluidstrahl 90 mit verringerter Kohärenz, der durch die Vorrichtung 510 gebildet
ist, kann dann verwendet werden, um bestimmte Materialien wie faserartige
Materialien und/oder spröde
Materialien, wie zuvor in Bezug auf 1A bis 1B erörtert wurde,
zu bearbeiten.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann die stromaufwärtsgelegene Öffnung der
Leitung einen Durchmesser von zwischen 0,127 mm (0,05 Inch) und
0,3302 mm (0,013 Inch) aufweisen und die konische Leitung 576 kann
eine Länge
von etwa 19,05 mm (0,75 Inch) aufweisen. In anderen Ausführungsbeispielen
kann die konische Leitung 576 andere Längen relativ zu der stromaufwärtsgelegenen Öffnung aufweisen
und/oder kann mit einer Leitung ausgetauscht werden, die eine beliebige
Form aufweist, solange wie das Flussbereich sich in stromabwärts gerichtete
Richtung vergrößert, um
einen bestimmten Grad an Kohärenz
zu erzeugen. In noch weiteren Ausführungsbeispielen, wie weiter
unten mit Bezug auf 7 bis 9 erörtert wird,
können
andere Mittel verwendet werden, um den Fluss stromaufwärts der
Düse 530 zu
stören
und die Kohärenz
des resultierenden Fluidstrahls 90 zu verringern.
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7 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht einer Vorrichtung 610 mit
einem Turbulenzerzeuger 675, der eine stromaufwärtsgelegene
Düse 630a mit einer
stromaufwärtsgelegenen
Düsenöffnung 633a umfasst.
Die Vorrichtung 610 umfasst weiter eine stromabwärtsgelegene
Düse 630b mit
einer stromabwärtsgelegenen
Düsenöffnung 633b,
verbunden durch eine Verbindungsleitung 676 mit der stromaufwärtsgelegenen
Düse 630a.
Jede Düse
ist in Position mit einer Abdichtung 635 abgedichtet. Wie
in 7 dargestellt, kann die Verbindungsleitung 676 einen stromaufwärtsgelegene
Düsenunterstützungsteil 620a umfassen,
um die stromaufwärtsgelegene Düse 630a zu
unterstützen.
Ein separater stromabwärtsgelegener
Düsenunterstützungsteil 620b kann die
stromabwärtsgelegene
Düse 630b unterstützen. In
alternativen Ausführungsbeispielen,
die detaillierter weiter unten in Bezug auf 8A erörtert werden, kann
die stromabwärtsgelegene
Düsenunterstützung 620b integriert
mit der Verbindungsleitung 676 ausgebildet sein.
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In
einem Ausführungsbeispiel
weisen die Öffnungen 633 durch
die stromaufwärtsgelegenen Düse 630a und
die stromabwärtsgelegene
Düse 630b eine
im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnittsform auf. In anderen Ausführungsbeispielen kann entweder
eine oder können
beide der Düsenöffnungen 633 andere
Formen als runde Formen aufweisen. Zum Beispiel kann in einem Ausführungsbeispiel
die stromabwärtsgelegene
Düse 630b eine Öffnung 633b mit
einem Flussbereich aufweisen, der durch die Schnittstelle eines
Konus und einer keilförmigen
Aussparung definiert ist.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist
die stromaufwärtsgelegenen
Düsenöffnung 633a einen
minimalen Flussbereich auf, der zumindest so groß ist, wie der minimale Flussbereich
der stromabwärtsgelegene
Düsenöffnung 633b.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt dieses Ausführungsbeispiels, wobei sowohl
die stromaufwärts
als auch die stromabwärtsgelegene
Düsenöffnung 633 rund
sind, weist die stromaufwärtsgelegene
Düsenöffnung 633a einen
minimalen Durchmesser auf, der zumindest zwei mal so groß ist wie
der minimale Durchmesser der stromabwärtsgelegene Düsenöffnung 633b.
Entsprechend beträgt
der Druckverlust des Flusses, der durch die Düsen 630 strömt, weniger
als 6%. Wenn der minimale Flussbereich durch die stromaufwärtsgelegenen
Düse 630a sich
relativ zu dem minimalen Flussbereich durch die stromabwärtsgelegene
Düse 630b erhöht, nimmt
der Druckverlust durch die stromaufwärtsgelegenen Düse 630a ab.
Zu der gleichen Zeit werden die Flussstörungen, die durch die stromaufwärtsgelegene
Düse 630a erzeugt
werden, verringert. Entsprechend sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die stromaufwärtsgelegene
Düse 630a und
die stromabwärtsgelegene
Düse 630b ausgewählt, um
einen Grad an Turbulenz zu erzeugen, der ausreichend ist, um die Kohärenz des
Fluidstrahls 90 auf ein geeignetes Level für die ausgewählte Anwendung (wie
das Schneiden faserartiger, spröder
oder anderer Materialien) zu erzeugen, ohne einen unerwünschten
großen (und
deshalb ineffizienten) Druckverlust zu erzeugen.
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In
einem weiteren bevorzugten Aspekt des Ausführungsbeispiels, das in 7 dargestellt
ist, ist der Abstand zwischen der stromaufwärtsgelegenen Düse 630a und
der stromabwärtsgelegene
Düse 630b so
ausgewählt,
dass turbulente Strukturen, die aus dem Fluidfluss durch die stromaufwärtsgelegenen
Düse 630a resultieren,
nicht komplett verschwinden, zu der Zeit, in der der Fluss die stromabwärtsgelegene
Düse 630b erreicht.
Entsprechend ist der Abstand zwischen den zwei Düsen 630 eine Funktion von
verschiedenen Variablen, einschließlich dem Druck des Fluids,
welcher durch die Düsen
strömt, der
Größe der Düsenöffnungen 633 und
dem gewünschten
Grad an Kohärenz
in dem resultierenden Fluidstrahl 90.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in 7 dargestellt ist, ist der stromaufwärtsgelegene
Düsenunterstützungsteil 620a mit
der Verbindungsleitung 676 integriert ausgebildet und die
stromabwärtsgelegene
Düsenunterstützung 620b ist
eine separate Komponente. Entsprechend können der stromaufwärtsgelegene
Düsenunterstützungsteil 620a und die
Verbindungsleitung 676 als eine Einheit von der Zuführleitung 640 entfernt
werden und die stromabwärtsgelegene
Düsenunterstützung 620b kann
separat von der Zuführleitung 640 entfernt
werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in 8A dargestellt
ist, kann die stromabwärtsgelegene
Düsenunterstützung 620b mit
der Verbindungsleitung 676 integriert ausgebildet sein,
welche wiederum mit dem stromaufwärtsgelegenen Düsenunterstützungsteil 620a integriert
ausgebildet ist, um eine entfernbare Kartusche 677 zu bilden.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels können die
stromaufwärtsgelegene
Düse 630a und
die stromabwärtsgelegene
Düse 630b ebenfalls
integriert mit der Kartusche 677 ausgebildet sein. Ein
Vorteil dieser Anordnung ist, dass Bediener die Kartusche 677 als
Einheit leicht entfernen und/oder austauschen können. Darüber hinaus können Bediener
eine Kartusche 677 auswählen,
die einen Fluidstrahl 90 (7) erzeugt, der
die geeigneten Eigenschaften für
eine ausgewählte
Applikation aufbringt.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
können andere
als die in 6 bis 8A dargestellten
Mittel verwendet werden, um die Turbulenz des Flusses, der in die
stromabwärtsgelegene
Düse 630b eintritt, zu
erhöhen,
und entsprechend die Kohärenz des
Fluidstrahls 90, der die stromabwärtsgelegene Düse 630b verlässt, zu
senken. Zum Beispiel kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel,
das in 8B dargestellt ist, der Turbulenzerzeuger 675 einen
oder mehrere Vorsprünge 678 umfassen,
die von einer inneren Oberfläche
der Kartusche 677 hervorragen, um Wirbel und andere turbulente
Strukturen in dem benachbarten Fluidfluss zu erzeugen. In anderen Ausführungsbeispielen,
die in 8C dargestellt sind, können die
Vorsprünge 678 durch
Ausnehmungen 678a ersetzt werden, die auf ähnliche
Weise Wirbel und andere turbulente Strukturen erzeugen. In noch
einem anderen Ausführungsbeispiel,
das in 8D gezeigt ist, kann der Turbulenzerzeuger 675 einen
Draht 679 umfassen, der sich quer über die Bahn des Flusses, der
durch die Kartusche 677 strömt, erstreckt. In jedem der
vorhergehenden Ausführungsbeispiele,
die in Bezug auf die 8B bis 8D erörtert sind,
kann der Turbulenzerzeuger 675 so bemessen und ausgebildet
sein, um den gewünschten
Grad an Turbulenz in dem benachbarten Fluss zu erzeugen, was zu
einem austretenden Fluidstrahl 90 führt, der den erwünschten
Grad an Kohärenz
aufweist.
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9 ist
eine quer geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung 710 mit
einer Feder 774, welche eine Kartusche 777 zu
einer Haltenut 721 vorspannt, gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Entsprechend kann eine Zuführleitung 740,
die mit der Kartusche 777 installiert ist, in jeder Orientierung
positioniert werden, ohne dass die Kartusche 777 in den
Abgrenzungen der Zuführleitungen 740 gleitet.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform
ist, dass die Kartusche 777, die eine Vielzahl an axialen
Längen
aufweist, in der Zuführleitung 740 positioniert
werden kann, ohne eine Modifikation der Zuführleitung 740 erforderlich
zu machen.
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10 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung 810 mit
sowohl einem Turbulenzerzeuger 875, der stromaufwärts einer stromabwärts liegenden
Düse 830b positioniert
ist, und zweiten Flussöffnungen 822,
die stromabwärts der
stromabwärtsgelegenen
Düse 830b positioniert sind.
Der Turbulenzerzeuger 875 kann eine stromaufwärts liegende
Düse 830a umfassen,
wie in 10 dargestellt, und in alternativen
Ausführungsbeispielen
kann der Turbulenzerzeuger 875 jede der Einrichtungen,
die in 8B bis 8D dargestellt sind,
oder andere Einrichtungen, die einen gewünschten Grad an Turbulenz in
dem Fluss, der die stromabwärtsgelegene
Düse 830b erreicht,
erzeugt, umfassen. Die zweiten Flussöffnungen 822 reißen einen
zweiten Fluss von einer Quelle eines zweiten Fluids 41 (1A)
mit, so dass der zusammenlaufende zweite und erste Fluss durch eine
Lieferleitung 850 strömen,
allgemein, wie zuvor in Bezug auf 1A bis 1B beschrieben.
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Ein
Vorteil der Vorrichtung, die in 10 dargestellt
ist, ist, dass der stromaufwärtsgelegene
Turbulenzerzeuger 875 in Kombination mit den stromabwärtsgelegenen
zweiten Flussöffnungen 822 Bediener
mit einer besseren Steuerung der Turbulenz des Fluidflusses, der
dadurch strömt,
und daher der Kohärenz
des resultierenden Fluidstrahls 90, versorgen kann. Zum
Beispiel ist es für
Bediener einfacher, den gewünschten
Grad an Kohärenz
des Fluidstrahls 90 durch Manipulieren des Flusses sowohl
stromaufwärts
als stromabwärts
der stromabwärts
liegenden Düse 830b zu
erzielen.
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Anhand
des Vorstehenden ist es offensichtlich, dass obwohl spezifische
Ausführungsbeispiele der
Erfindung hier zu Zwecken der Illustration beschrieben wurden, verschiedene
Modifikationen möglich
sein können,
ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel
kann jeder der Turbulenzerzeuger, die in 6 bis 10 dargestellt
sind, verwendet werden in Verbindung mit einer drehbaren Einrichtung 410,
wie in 5 dargestellt. Somit ist die vorliegende Erfindung
nicht begrenzt auf die Ausführungsbeispiele,
die hierin beschrieben sind, sondern ist durch die Ansprüche, die
folgen, definiert.