用於產生壓差的雙圓錐的製作方法
2023-10-10 19:58:49
專利名稱：用於產生壓差的雙圓錐的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙圓錐裝置，用於在流體流過該雙圓錐裝置時產生一個壓差。特別地，本發明涉及一種產生了增強的抽吸和降低的磨損的雙圓錐設備。
背景技術：
一個雙圓錐設備包括一個入口單元、一個出口單元和一個中間部分，入口單元和出口單元每個都是中空的截頭圓錐形，中間部分稱為管口。當流體流過這種設備時，管口部分呈現抽吸特性。此抽吸特性使得一個雙圓錐設備在許多場合中都很是有用的，從井中抽吸到分離過程——例如脫鹽和除離子。在這些應用中，雙圓錐設備用於向這些過程中所使用的流體提供一個壓力放大。
已經在名稱為「用於產生和利用壓差的設備及其技術應用(Device forcreating and exploiting pressure difference and the technical applicationsthereof)」的美國專利申請US4792284中描述了雙圓錐設備。本專利所描述的雙圓錐設備顯示於圖1中。
雙圓錐設備100包括兩個共軸的截頭圓錐部分，稱為入口圓錐102和出口圓錐104，它們通過一個圓柱管110而保持在一起。入口圓錐102的特徵是其長度L1、較大直徑D1、較小直徑d1和圓錐角θ1。類似地，出口圓錐104的特徵是其長度L2、較大直徑D2、較小直徑d2和圓錐角θ2。在這兩部分之間的最小直徑部分稱為管口106。為雙圓錐設備100提供一個從入口圓錐102進入並且從出口圓錐104排出的供給流。供給流可以是任何流體，即可以是液體或氣體。
圓柱連接管110包圍了環繞管口的區域。一個位於圓柱連接管110上的入口108使得流體可以從設備100外部被抽吸入管口106。
在雙圓錐設備100內流動的過程中，供給流經歷了一個壓力變化，該壓力變化是雙圓錐設備100的幾何構形和在入口圓錐102的入口處的流體速度的函數。在雙圓錐設備100內的該壓力變化示於圖2中。如圖2所示，在雙圓錐設備100內的壓力在流體流過入口圓錐102時逐漸降低，然後在出口圓錐104內重新升高。在管口106內的地點(z＝0)處壓力最小。而且，在入口圓錐102起始處(z＝-L1)的壓力P1和在出口圓錐104出口點(z＝L2)處的壓力P2是不同的。該壓差ΔP＝P1-P2稱為經過設備100後的壓降。
在設備內的供給流性狀或者壓力變化是多個因素的函數，這些因素包括例如入口和出口圓錐的圓錐角等幾何參數、在入口圓錐的入口處和出口圓錐的出口處的外部壓力。特別地，外部壓力越高，在管口處的壓力越低。這導致了管口處的較高抽吸力。
雙圓錐設備的性能通常以其壓力放大來衡量。雙圓錐設備的壓力放大定義為在出口圓錐出口處的壓力P2與經過設備後的壓降ΔP之間的比率。可通過減少壓降或增加出口壓力而提高壓力放大。另外一個性能衡量參數是由雙圓錐設備產生的噪音。高的噪音程度可以導致設備的快速磨損，並且一般認為是不環保的。此外，必須把設備的磨損降至最低以保證設備有一個長的使用周期。
在基本的雙圓錐設計中已經採取了多種改進以改善其性能。
在名稱為「用於產生壓差的雙圓錐(Double-cone for generation of apressure difference)」的PCT專利申請PCT/CH99/00403中已經描述了一個這樣的改進。此專利描述了一種雙圓錐設備，它包括一個入口圓錐和一個出口圓錐，入口圓錐和出口圓錐由其小直徑端連接起來以產生一個管口。此外，入口設置在出口圓錐內，遠離管口。入口圓錐角θ1也已經精製到小於5°。這些改進降低了雙圓錐設備的噪音和磨損。
在名稱為「雙圓錐設備和泵(Double-cone device and pump)」PCT專利申請PCT/CH02/00134中已經描述了另一種改進。該雙圓錐設備包括通過一個第三圓錐連接起來的一個入口圓錐和一個出口圓錐。一個入口設置在出口圓錐中。入口圓錐的小直徑端和第三圓錐連接起來以形成一個管口。第三圓錐的圓錐角小於出口圓錐的圓錐角。此外，第三圓錐的圓錐角必須介於1°到5°之間。第三圓錐的引入和把入口設置在遠離管口處降低了磨損。這是因為壁的材料不會承受非常高的應力，象在初始的雙圓錐結構中那樣。經過設備後的壓降也得以降低，導致了更好的抽吸性能。
雖然已經對雙圓錐設計進行了多種改進，還可以採取更進一步的改進以加強壓力放大、降低噪音程度和穩定流動。例如，在處於某些運行狀態下的現有設備中，產生的噪音能達到110至115分貝的量級，而人所能忍受的噪音程度是大約85分貝。因此，需要具有較低噪音程度的雙圓錐設備。此外，在現有雙圓錐設備中，設備內的流動在高流率時不夠穩定。因此，需要改進設計以穩定在高流率下的流動。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有增強壓力放大的雙圓錐設備。
本發明的另一個目的是提供一種在入口處具有增強的抽吸壓力的雙圓錐設備。
本發明的另一個目的是提供一種具有降低的噪音程度的雙圓錐設備。
本發明的另一個目的是減少雙圓錐設備上的磨損從而延長其使用壽命。
本發明的另一個目的是改進流經雙圓錐設備的流體的流動剖面。
本發明的另一個目的是提供一種具有降低的工作溫度的雙圓錐設備。
而本發明的還另一個目的是提供一種雙圓錐設備，與現有雙圓錐設備相比，它能夠在高流速下有效地工作。
上述目的通過使用一個具有連續的幾何構形的雙圓錐設備來達到。特別地，雙圓錐設備包括兩個截頭圓錐部分，稱為入口圓錐和出口圓錐。入口圓和出口圓錐有一個共同的小直徑面。該共同直徑區稱為管口。此外，在靠近管口的出口圓錐上有多個孔。
與現有雙圓錐設備所能夠獲得的相比，本發明實現了較高的壓力放大、較高的抽吸力和較低的噪音。通過使用一個連續的幾何構形和用作抽吸入口的圓孔而實現了此目的。
孔在出口圓錐上形成，處於管口的下遊，但是處在直徑小於1.5倍的管口直徑的出口圓錐部分內。孔的尺寸小於或等於管口直徑的一半。
入口圓錐的圓錐角小於或等於5°，而出口圓錐的圓錐角小於或等於4°。這導致了降低的能量吸收、降低的噪音程度和較高的流率。
在本發明的一個可選實施例中，在出口圓錐上遠離管口的孔由一個有孔隙的部分代替，用來模擬一個具有無數個尺寸非常小的孔的區域，此區域處於出口圓錐和管口之間。該孔隙部分由例如陶瓷等材料製成。
本發明的另外一個可選實施例包括兩個稱為入口和出口圓錐的截頭圓錐單元、一個管口區域和一個嵌入部分。在此設備中，嵌入部分提供了將物料流吸入管口區域內的路徑。此外，出口圓錐角小於2°。
在下文中將參考附圖描述本發明的優選實施例，附圖用於闡釋而非限制本發明，其中同樣的標號表示同樣的元件，其中圖1顯示了一個在名稱為「用於產生和利用壓差的設備及其技術應用」的美國專利申請US4792284中描述的雙圓錐裝置；圖2顯示了當供給流流經雙圓錐設備的不同部分時的壓力變化；圖3顯示了一個依照優選實施例的連續幾何構形的雙圓錐設備；圖4顯示了一個帶有一個孔隙部分的連續幾何構形的雙圓錐設備；圖5顯示了一個具有一個嵌入部分的雙圓錐設備。
具體實施例方式
本發明揭示了一種具有連續幾何構形的雙圓錐設備，它具有一個第一漸縮部分和一個第二漸擴部分。管口後方的第二部分上的多個孔方便了向設備內的抽吸。管口是漸縮部分結束之處以及漸擴部分的起始點，它還是設備直徑最小的部分。
圖3顯示了依照本發明一個優選實施例的具有連續幾何構形的雙圓錐設備300。設備300包括兩個稱為第一漸縮部分(在下文中稱為入口圓錐)302和第二漸擴部分(在下文中稱為出口圓錐)304的中空的截頭圓錐部分和多個位於出口圓錐304上的孔306。設備300直徑最小的部分也稱為管口308。管口308也是入口圓錐302的出口部分和出口圓錐304的入口部分。在一個優選實施例中，管口的邊緣應當是尖的並且截面應當是完全圓形的。對於本領域的普通技術人員來說，顯而易見的是邊緣也可以是平滑的。
入口圓錐302的特徵在於其長度L1、較大的直徑D1和圓錐角θ1。類似地，出口圓錐304的特徵在於其長度L2、較大的直徑D2和圓錐角θ2。
在本發明的一個優選實施例中，入口圓錐角θ1小於或等於5°，而出口圓錐的圓錐角小於或等於4°。L1、D1、L2、D2的值可依照所選的角度θ1、θ2的值進行選擇。對於本領域的普通技術人員來說，顯而易見的是可以採用其他入口圓錐角和出口圓錐角的值，而不會背離本發明的範圍。然而，在所選擇的角度上，該設備噪音程度降低並且要求輸入的能量較低。
雙圓錐設備300中供入了從入口圓錐302進入並且從出口圓錐304排出的供給流310。供給流310可以是任何流體，例如液體或氣體。
供給流310在雙圓錐設備300內經歷了壓力變化。在供給流310流經入口圓錐302時雙圓錐設備內的壓力逐漸下降，並且隨後在出口圓錐304內重新上升。壓力在管口308處是最小的。在出口圓錐內，管口308周圍的低壓允許物料312通過孔306從設備300之外而吸入設備300之內。
孔可以是任何形狀，例如方形、橢圓形和圓形。在一個優選實施例中，採用了圓形孔。此外，在本發明的優選實施例中，孔306沿流動的方向傾斜。對於本領域的普通技術人員來說一定顯而易見的是相對於供給流的方向而言，孔的軸線可以沿任何方向，例如垂直於出口圓錐的表面或者逆著供給流的方向，而沒有背離本發明的範圍。
孔306的尺寸取決於供給流內的物料310和管口308的尺寸。要吸入的物料的性質直接地影響了孔的尺寸。例如，如果要吸入的物料是水，那麼孔的直徑與管口直徑之間的比例應當小於0.5並且其絕對值應當限制在小於10毫米的範圍內。如果使用的是非牛頓流體，那麼孔的最大直徑限制在4至5毫米。此外，對於一種非牛頓液體而言，孔的尺寸非常依賴於液體的機械特性。在優選實施例中，優選地，孔的尺寸小於0.2倍的管口直徑。優選地，孔與管口的尺寸之間的比率是小的，因為如果該比率過高，那麼會對供給流的穩定性產生不利影響。
使用了多個孔以便能夠吸入大量的物料。保持孔的位置儘可能地靠近管口，因為當離開管口平面時抽吸力降低。在本發明的一個優選實施例中，孔在出口圓錐304的一個截面上形成，該截面的直徑小於1.5倍的管口308的直徑。
在本發明的一個可選實施例中，出口圓錐的入口部分由孔隙材料製成，而不是具有多個孔。此實施例用圖4進行描述。
圖4顯示了一個雙圓錐設備400，包括入口圓錐302、出口圓錐304和一個孔隙部分402。設備的幾何構形是連續的並且入口圓錐302和出口圓錐304由第一材料製成，這種材料可以是用於製造雙圓錐設備的普通材料，例如鋼。孔隙部分402由例如陶瓷或玻璃複合物等有孔隙的材料製成。有孔隙混凝土複合物是用於大尺寸雙圓錐設備的理想材料。在其他例子中，能夠通過化學淋溶合適的材料而形成有孔隙的部分。例如，由不同合金和塑料組成的複合物能夠用來形成幾何構形，然後通過化學侵蝕或電侵蝕適當的區域而形成有孔隙的部分。供給流310流經設備400，從入口圓錐302的入口進入並且排出至出口圓錐304的出口。此排放物包括供給流310和吸入的物料404。物料404通過孔隙部分402被吸入設備400內。
對於孔隙材料，使用了尺寸範圍在50到100μm之間的孔，以提供一個相對安靜的抽吸(低噪音程度)，而沒有降低抽吸能力。此外，優選地，孔隙部分402的直徑應當小於1.5倍的管口308的直徑。
優點本發明提供了增強的壓力放大和降低的噪音。
在雙圓錐設備內的噪音由一個與所選擇的幾何構形不符的流動剖面產生。換言之，流體沒有完全接觸雙圓錐的壁。此外，在現有設備中，當供給流從入口圓錐流向管口區域時，流動剖面急劇地改變。本發明通過產生一個與現有雙圓錐設備相比更緊密地遵循壁的幾何構形的流動剖面而降低了這種噪音。
本發明的雙圓錐設備的連續幾何構形使得在管口308和出口圓錐304內的供給流的流動剖面保持與壁接觸。這是因為連續的幾何構形禁止供給流310如在現有雙圓錐設備內那樣變得自由。從而，當供給流310從管口308移動到出口圓錐304時，流動剖面沒有發生急劇改變。這種改善的流動剖面導致了噪音程度的顯著降低。此外，改善的流動剖面降低了設備的磨損。另外，與現有存在設備的可能效率相比，改善的流動剖面使得設備以非常高的流率高效率地工作。
與現有雙圓錐設備相比，連續的幾何構形還增加了壓力的放大。所能夠獲得的壓力放大是在雙圓錐內的流動狀態的函數。特別地，壓力放大是軸向流速分量的函數。軸向流速分量越佔主導地位，能夠獲得的放大越強。連續幾何構形減少了非軸向流速分量增加的傾向，從而導致壓力放大的增加。
例如，與一個現有雙圓錐設備的性能相比，一個連續幾何構形的雙圓錐設備導致壓力放大大約增加50％。連續幾何構形的雙圓錐設備產生的噪音也得到降低。對於現有的雙圓錐設備，會產生大約100分貝的噪音，而連續幾何構形的雙圓錐設備產生大約80分貝的噪音。特別地，在一個入口圓錐角為5°且出口圓錐角為2°的連續幾何構形的雙圓錐設備中的所進行的一個實驗中，僅產生了10巴的壓降，同時在一個大約80分貝的噪音程度上產生了約1.8倍的壓力放大。與具有可比功率的現有設備相比較，此壓力放大的性能提高了大約50％。
此外，當θ1≤5°時，供給流在設備300內迴轉的傾向降低。供給流的迴轉導致能量的消耗。從而，所提供的入口角的選擇減少了由於迴轉而導致的能量消耗。能量消耗的減少導致了可獲得的壓力放大的增加。
當θ2≤4°，在出口圓錐304內的供給流的流動剖面得以穩定。流體的穩定使得即使在較高流率時設備300也能有效地使用。設備300消耗的能量也得以降低。此外，設備產生的噪音也得以降低。
例如，當用作一個特定的液壓回流泵(hydraulic reverse pumping)時，入口圓錐角為5°且出口圓錐角為5°的現有雙圓錐設備不能有效地運作。而在另一方面，依照本發明的出口圓錐角為2°的雙圓錐設備工作起來不會有任何問題。
與在現有雙圓錐設備中從出口圓錐移去切片部分相反，孔的使用導致了一個在管口308下遊增強的抽吸壓力。抽吸力取決於在管口308周圍所產生的壓力。在此區域的壓力是多個參數的函數。這些參數包括雙圓錐設備300的幾何尺寸、在出口圓錐304的出口處施加的壓力和將物料吸入設備300的入口的位置。特別地，如果用於抽吸物料的入口較靠近管口，則抽吸力更高。這是因為抽吸力取決於在管口308內的壓力。在管口308內的壓力越低，抽吸力就越高。離開管口308後，壓力急劇上升。從而，為使抽吸力最大，抽吸入口應當儘可能靠近管口308。本發明利用這個事實，通過使用多個靠近管口的孔306而產生較高的抽吸。
使用孔306的原因是因為與一個如同現有設備中那樣從出口圓錐中取出的切片相比，孔306更能靠近管口平面。當從出口圓錐中去掉一個切片時，形成了一個自由射流，該自由射流直到深入出口圓錐內後才能與出口圓錐壁重新恢復接觸。流速越高，此問題越會惡化。如果去掉的切片太靠近管口，則噴射速度過高，出口圓錐不能對靠近管口的主流施加足夠的影響。從而，切口不能靠近管口。
本發明的另外一個實施例使用一個位於入口和出口圓錐之間的嵌入部分。該實施例用圖5顯示。
圖5顯示了一個雙圓錐設備500，它包括兩個稱為第一漸縮部分(下文稱入口圓錐)502和第二漸擴部分(下文稱出口圓錐)504的中空截頭圓錐部分，以及一個代替了具有孔的連續部分的嵌入部分508。
出口圓錐504的圓錐角小於2°。選擇了這種圓錐角，該設備獲得了顯著的噪音降低。然而，對於本領域的普通技術人員一定顯而易見的是可使用其他出口圓錐角的值而沒有背離本實施例的範圍。
供給流510從入口圓錐502的入口進入並且排出至出口圓錐504的出口。排放物包括供給流510以及吸入物料512。物料512通過嵌入部分508吸入設備500。
嵌入部分508包括一個從入口圓錐502的較小直徑末端延伸到出口圓錐504的起始處的中空的截頭圓錐部分。中空部分的較小直徑與入口圓錐502的較小直徑末端匹配，而中空部分的較大直徑末端與出口圓錐504的起初處相匹配。此外，嵌入部分508具有多個位於中空部分的徑向孔，用於將物料吸入設備500。
使用嵌入部分導致噪音大大降低。例如，如果壓力在出口圓錐的出口是19巴，由現有雙圓錐設備產生的噪音是110-115分貝。而在另一方面，由設備500產生的噪音是85-90分貝。
雖然本發明的優選實施例已經得到闡釋和描述，很明顯，本發明不僅僅限於這些實施例。許多改進、改變、變化、替代和等同物對於本領域的技術人員將是顯而易見的，它們沒有背離如權利要求所描述的本發明的要旨和範圍。
權利要求
1.一種具有連續幾何構形的雙圓錐設備(300)，用於在一個流體流過該設備時產生一個壓差，該設備包括a.一個大致為中空截頭圓錐形狀的第一漸縮部分(302)；和b.一個大致為中空截頭圓錐形狀的第二漸擴部分(304)，其中該設備具有最小直徑的部分是本設備的一個管口308，其中所述第二漸擴部分在所述管口的後方具有多個位於其表面上孔(306)，以便實現抽吸。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述第一漸縮部分的圓錐角大於0°並且不超過10°，優選地不超過5°。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述第二漸擴部分的圓錐角大於0°並且不超過10°，優選地不超過4°。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述的孔是圓形的。
5.如權利要求1所述的設備，其中所述的孔沿流體的流動方向傾斜。
6.如權利要求1所述的設備，其中所述的孔的直徑小於所述管口部分直徑的一半。
7.如權利要求1所述的設備，其中所述的孔在管口處形成。
8.如權利要求1所述的設備，其中所述的孔形成於所述第二漸擴部分中的一部分上，該部分的直徑大於所述管口的直徑且小於該管口直徑的1.5倍。
9.一種具有連續幾何構形的雙圓錐設備(400)，用於在一個流體流過該設備時產生一個壓差，該設備包括a.一個大致為中空截頭圓錐形狀的第一漸縮部分(302)；b.一個大致為中空截頭圓錐形狀的第二漸擴部分(402)，所述第二漸擴部分是有孔隙的以便實現抽吸；和c.一個大致為中空截頭圓錐形狀的第三漸擴部分(304)，該第三漸擴部分從所述孔隙部分的端部延伸。
10.如權利要求9所述的設備，其中所述第一漸縮部分的圓錐角大於0°並且不超過10°，優選地不超過5°。
11.如權利要求9所述的設備，其中所述第三漸擴部分的圓錐角大於0°並且不超過10°，優選地不超過4°。
12.如權利要求9所述的設備，其中所述有孔隙的部分的較大直徑大於所述第一漸縮部分的較小直徑，並且小於該第一漸縮部分較小直徑的1.5倍。
13.一種雙圓錐設備(500)，用於在一個流體流過該設備時產生一個壓差，該設備包括a.一個大致為中空截頭圓錐形狀的第一漸縮部分(502)；b.一個大致為中空截頭圓錐形狀的第二漸擴部分(504)；和c、一個嵌入部分(506)，所述嵌入部分具有一個居中的中空截頭圓錐部分，該中空部分具有與所述第一漸縮部分的較小直徑端相匹配的較小直徑端和與所述第二漸擴部分的較小直徑端相匹配的較大直徑端，該嵌入部分從所述第一漸縮部分的較小直徑端延伸到所述第二漸擴部分的起始處，其中該嵌入部分具有多個位於居中的中空嵌入部分上的徑向孔而便於抽吸。
14.如權利要求13所述的設備，其中所述第一漸縮部分的圓錐角大於0°並且不超過10°。
15.如權利要求13所述的設備，其中所述第二漸擴部分的圓錐角大於0°並且不超過10°，優選地不超過2°。
全文摘要
本發明涉及一種雙圓錐設備，其產生了增強的抽吸、壓力放大和降低的噪音。這種增強效果是通過使用用於該雙圓錐設備的兩個截頭圓錐部分的一個連續幾何構形而獲得的。此外，使用位於出口圓錐上的多個孔而將物料吸入設備內。連續的幾何構形導致了穩定的流動剖面，而穩定的流動剖面導致了降低的噪音和增強的放大。孔增加了抽吸力，因為它們可以非常靠近管口地設置。通過選擇合適的入口圓錐和出口圓錐的圓錐角，也獲得了其他增強效果。
文檔編號F04F5/44GK1771398SQ03826520
公開日2006年5月10日 申請日期2003年6月20日 優先權日2003年6月20日
發明者約翰·斯塔克 申請人:Dct雙錐技術有限公司