專利名稱：流體積分儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及將兩種或多種流體成份均勻混合成一均勻混合物的裝置。尤其是本發明涉及液體涂敷材料的混合和摻合，其中該材料由兩個或多個最初是分離的成份構成，并且在使用在或其附近混合成均勻一致。通常涂敷材料的施用裝置典型的是噴槍或其它相似的裝置，用于將涂敷材料提供給施用裝置的供給裝置典型的是可往復的泵系統。
在工業應用中發現有許多液體是有用的，并且它們都由在使用之前按一定比例將幾種不同成份的液體混合而成。在這些液體中包括的有多種油漆，密封劑及粘接劑。每種這樣的液體都典型地存放于該成份的容器中，并且在應用過程期間幾種成份按比例配制并混合起來。液體泵裝置可連接至裝單個成份的容器上，并且該液體泵裝置可控制，從而將預定比例的各種成份從各自的容器中抽吸出來以供給單個液體供給線。將靜態混合的集合管典型地置于液體供給線的流程中，從而在各自液體的流動中產生湍流，因此使供給施用裝置的數種成份有效地混合成均勻的液體。工業性工廠常常用可往復的泵從各自成份的容器中抽吸，其中該泵鉸接并由單個往復馬達驅動，從而按均勻的比例從各自容器中抽吸液體成份。該適當的比例可由適當地選擇泵的供給容量、由控制泵的各自的往復沖程或由其它液體配量裝置來選定。盡管一個或多個混合裝置典型地插在該供給線路中以保證成比例的液體的適當混合，但其后該液體成份沿一單個供給線路輸送至施用裝置。
本發明不涉及前述的混合裝置，包括靜態混合的集合管及其它類似裝置，這些裝置主要是用于在液體流程中產生湍流，從而保證液體成份完全混合。這些常規形式的混合器將液體成份均勻地混合，但不具有再分配不適當混合比例流過供給線路的液體分量的能力，即一靜態混合器將產生湍流，從而沿供給線路的空間中的一點處之混合液體混合物，不管按什么混合比，在該混合點都將形成液體混合物。
利用泵尤其是往復沖程泵產生特殊的問題，這些問題在從啟動、停止及沖程反向的過渡過程中是明顯的。在泵啟動或停止時而供給的液體容積能改變供給的數種成份的最佳混合比。相似地，當往復泵改變其沖程方向時，它將典型地引起一突然的壓降及壓力脈動，這就造成了不穩定的液體供給狀態。這些液體不穩定引起供給系統變化偏離其均勻容積供給特性，并且當兩個或多個往復泵連接在若干成份供給系統中時，則各自的液體不穩定可能在時間上在不同的瞬間發生。這就導致液體容積具有在液體供給線路中均勻一致的成份比，但被液體容積所散布開，該液體容積可能因上述不穩的供給狀態所致而配成不適當比例。當在液體供給線路進行觀察時，就可看出這種活動導致具有合適比例的混合液體成份的均勻流動，會由間隔的一股一股不適當比例的混合成份的液團所散布開。在液體供給線路中用靜止混合器將使流過供給線的成份完全混合，但將不能改正超出理想參數之外的成份比。總體來說，若干成份的液體總是趨向于按均勻混合容積流過供給線路，但不能改正不適當比例的容積部分。隨著液體流過供給線路，其比例問題需要不同形式的液體容積混合來解決。
本發明通過一液體供給線路沿縱向穿行路徑均勻地分配液體，從而沿縱向穿行路徑能夠更完全地混合液體。因此，如果特定的液體容積濃度處于不適當的比例，該裝置將沿長度方向通過液體供給線路將該比例誤差擴散，從而與較大的液體容積混合在一起。該裝置包括供給線路部分，該線路形成一種具預定截面的螺旋路徑，這里，螺旋線的內半徑和外半徑比路徑的截面寬度尺寸明顯要大。螺旋流動路徑的截面積定義了一“水力半徑”，其可計算出來，并且在最佳實施例中該半徑為小于0.04。這就使沿路徑之外部運動的液體比沿路徑內部運動的液體運動之距離遠得多，因此沿長度方向擴展了通過該裝置的液體比的效果。液體流過該裝置的速度基本上保持恒定，這具有在流過該裝置的更大容積的液體范圍對該液體比進行積分的效果。
本發明之主要目的是提供一種在增加的液體流動容積的范圍內對若干成份的液體進行積分的裝置。
本發明之另一目的是當成比例的液體流過液體供給線路時將液體的容積流率混合，從而減小液體比的分離。
本發明之另一目的是提供一種若干成份的液體均勻地并按均勻的比例的混合液以供給一個共同的目的地。
本發明的前述及其它目的和優點將參照附圖從以下說明書及權利要求中更明顯地得知。
圖1示出了本發明局部剖視的側視圖;
圖1A示出了本發明的一部分的端剖軸側圖;
圖2示出了本發明流動路徑的放大圖;
圖3A示出了流動路徑的簡化剖面圖;
圖3b示出了大的一圈螺旋線的流動路徑3的簡化示意圖。
首先參照圖1，該液體積分儀10在局部剖視的側視圖中示出。該積分儀10具有一管狀外殼12，帶有一緊貼地嵌裝于其中的圓柱桿15。桿15具有連續的螺旋槽20，該槽沿桿15的整個縱向長度方向延伸。積分儀10的各端具有連接件13，14，從而使其用螺旋連接連接至液體供給線路上。連接件14之剖視圖示出其中心孔16是通孔，在任何情況下中心孔與螺旋槽20的各自端部都是按液體流動接觸而對齊的。圖1A示出了桿15的端部的軸側圖，其中示出孔16a與中心孔16是按液體流動接觸而對齊的。桿15的端面15a是為了與連接件14的內接面接觸的平面。流進中心孔16中的液體經中心孔16a導入螺旋槽20中。
螺旋槽20是相對于桿15的軸線11而切制的，具有外半經(ROD)和內半徑(RID)，每個半徑都以軸線11開始測量而得。螺旋槽20具有一截面寬度(W)，該寬度尺寸最好在整個槽中是均勻一致的，或者在某些實施例中是輕微地朝外錐形的。但該外錐度最好不超過約2°-3°。
圖2示出了從圖1中截取的放大截面2-2。圖3A示出了槽20的截面積簡化圖;圖3B示出了槽20的簡化圖，該槽的一圈螺旋線已被展開并以平面形式示出。圖3B中的箭頭示出液體流過槽20的方向。參照圖3A和3B，通過液體積分儀10的螺旋路徑的截面積A1是由下列公式決定A1＝WH這里的W等于螺旋槽20的寬度，H等于螺旋槽20的高度。但H是由下列公式決定的H＝ROD-RID因此，槽20的截面積是由下列公式決定
A1＝W(ROD-RID)占據一圈螺旋槽20的液體容積將圖3B所示的面積與槽20的寬度相乘而決定。圖3B所示的面積由下列公式決定A2＝π(R2OD-R2ID)因此，占據一圈螺旋槽20的液體容積由下列公式決定V1＝W·A2V1＝Wπ(R2OD-R2ID)在液體積分儀中液體之總容積由將一圈螺旋槽20的容積與圈數N乘而決定，即VTOT＝N·V1由于液體積分儀的重要功能是將流過供給線路的各液體容積混合在一起，尤其是將由于前述列出的不穩定狀態而變得比例不適當的液體容積“團”混合在一起，因此，液體積分儀10的總容積比在一個不穩定階段期間由泵系統供給的總容積要大是重要的。最好積分儀10的總容積選擇為至少是泵系統在泵反向的間隔期間供給的容積的兩倍。
如果以恒定流動速度流過液體積分儀10，則很明顯在鄰近螺旋槽的外直徑的液體流動路徑大大超過鄰近螺旋槽內直徑的路徑長度。因此，如果流速恒定，則流過積分儀10最靠近外直徑的液體將滯后流過積分儀10最靠近內直徑的液體，因此，同時進入液體積分儀的任何增量液體容積將都在時間和空間上分別地離開液體積分儀10。實際上，沿外直徑運動的液體將與沿內直徑運動后來的液體混合，此時，沿內直徑進入的液體將與早先到達的沿外直徑運動的液體混合，所有這些都可沿長度方向將流過供給線的液體容積混合。因此，任何液體增量容積比的變化都成為在長度方向沿供給線路對液體的混合或散布，從而在相當大的液體容積范圍內對比例變量進行積分。槽20的內外直徑差值越大，則滯后時間越大，因此混合能力越大;即，螺旋槽20的圈數越大，則滯后時間越大。
前述的分析假定液體流過液體積分儀10為恒速，因此，重要的是控制構成液體積分儀10設計參數以獲得恒定之流速，或精確地成接近的近似值。槽20的寬度保持窄到防止流體因成溝槽作用只通過槽的中部。在另一方面，槽20的寬度20足夠大以允許一合理的液體流速而不會過份的總體壓降。
Osberne Reynolds(雷偌)的工作已證明確定液體流過管道是否是層流還是湍流取決于管徑，流動的流體的密度及粘度和流速。將這四個變量結合在一起的一個無量綱數值稱為“雷偌數”，其是質量流的流體動力與由粘度產生的剪應力之比。對確定流過具圓形截面的通道的流動特性計算雷偌數是有用的。在計算非圓截面流體通道中，發明了稱之為“流體半徑”的術語，該流體半徑(RH)定義如下RH＝ (流動截面積)/(濕圍)在計算非圓截面通道的雷偌數時，用當量直徑代替圓的直徑，當量直徑定義為水力半徑RH的四倍。該當量直徑不能用于流體通道寬度相對其長度非常小的流體通道中，但發現水力半徑RH是一個與本發明相關的有用參數。據信這確實是事實，因為水力半徑是通過流體通道的流動流體與流體通道邊界表面接觸的程度的指數。在本發明中，流體流道的寬度保持盡可能窄，以避免通過槽的中部產生成溝槽作用，但槽應是足夠寬以使總體壓降最小。
為了確定本發明在長度方向混合不同的液體成份的有效性，設計了三個實驗，其中在每種情況下都將兩種彩色成份注入流動通道。在每種情況下通道的寬度和深度都變化，每種情況都計算水力半徑，并且長度方向的流動混合由徑驗值確定實驗1通道寬＝W＝0.06通道高＝H＝0.5通道面積＝A1＝0.03水力半徑＝RH＝0.027實驗2W＝0.09H＝0.7A1＝0.063RH＝0.040實驗3W＝0.125H＝0.5A1＝0.062RH＝0.05在實驗1的情況下，該裝置產生良好的長度方向的液體流動混合，但加大了通過整個流動通道的壓降。在實驗2中，長度方向的流動混合優異，并且總的壓降認為是不過份的。在實驗3中，盡管壓降最小，但長度方向的流動混合極差。從前所述的內容可以確定，當水力半徑小于或等于0.04時本發明表現出滿意之效果，但當水力半徑大于0.04時，本發明表現出不滿意的長度方向流動混合的效果。
當進一步實驗時，實驗2的流動通道制造成一完整的積分儀，產生下列實驗結果例子一典型的積分儀被計計用于噴涂具粘度大約50厘泊(CPS)的油漆的液體供給系統中，油漆是稍微能變性的，并且具有每分鐘0.1至0.5加倫(gpm)的流動范圍。液體積分儀設計具有下列物理參數ROD＝1.00，RID＝0.30，W＝0.09，N＝10前述積分儀的容量是42.2cm3(1·43流體盎司)。該設計產生一滯后時間系數為3.33;即沿外直徑流動的液體將需要比沿內徑流動的液體長達3.33倍的時間到達出口。因此，按該設計建立的積分儀將足夠處理20cm3(CC)(0·7·流體盎司)的傳遞流動容積。前述計算假定槽20的寬度均勻一致，但實際應用中，槽20是制成其外半徑處比其內半徑處稍微大一點，從而符合非牛頓流體流動特性。
本發明在不脫離其精神實質或基本貢獻的情況下由其它的特定形式實施，因此，希望本發明之實施例無論如何只能認為是為了說明用而不能限制本發明，所附之權力要求不是前述的說明而是表明了本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于將領先和滯后的液體流動容積在流體供給線路中混合在一起的液體積分儀，包括一個具有一軸向通孔的殼體，為了將所述殼體可密封地連接到所述液體供給線路中最靠近所述軸向孔的各自端部的裝置，一個基本上占滿該軸向孔的插入件，所述插入件具有一圍繞其外表而延伸的螺旋槽，螺旋槽的各端與所述軸向孔的各自端部是液體流動接觸的，所述螺旋槽的橫截面寬度尺寸明顯小于所述槽的橫截面高度尺寸。
2.如權利要求1所述裝置，其中所述螺旋槽橫截面基本上為矩形。
3.如權利要求2所述裝置，其中所述螺旋槽具有一其數值小于0.04的液力半徑。
4.如權利要求3所述裝置，其中所述槽的長度足夠在該槽中存集至少1-5流體盎司的液體。
5.一種用于將領先和滯后的增量流動容積于液體供給線路中混合起來的液體積分儀，包括帶矩形橫截面的被封住的螺旋路徑，用于將所述螺旋流動路徑的各端部按順次的液體流動布置與所述液體供給線路相連，所述橫截面的寬度尺寸足夠小，從而在流過所述螺旋路徑的液體中在所述寬度尺寸范圍內產生明顯一致的壓降。
6.如權利要求5所述裝置，其中所述螺旋路徑之水力半徑小于0.04。
7.如權利要求6所述裝置，其中所述螺旋路徑具有足夠大的高度尺寸，從而在流過所述螺旋路徑中的液體中產生一基本上恒定的液體流動速度。
全文摘要
一種插入液體流動線路中的液體積分儀，用于將領先的和滯后的增量液體流動容積混合在一起，該裝置包括一個可連接主流動線路上的殼體，一插入殼體中的圓柱形插入件，圍繞該插入件的外表面具有螺旋槽。螺旋槽比其寬度明顯深，并且具有小于約0.04的水力半徑，螺旋槽足夠長，從而含有的液體容積大約為希望混合的增量液體容積的兩倍。
文檔編號B01F5/06GK1094991SQ9311290
公開日1994年11月16日 申請日期1993年11月12日 優先權日1993年5月11日
發明者K·E·李爾克, M·P·麥科米克 申請人:格雷科有限公司