专利名称：流体积分仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及将两种或多种流体成份均匀混合成一均匀混合物的装置。尤其是本发明涉及液体涂敷材料的混合和掺合，其中该材料由两个或多个最初是分离的成份构成，并且在使用在或其附近混合成均匀一致。通常涂敷材料的施用装置典型的是喷枪或其它相似的装置，用于将涂敷材料提供给施用装置的供给装置典型的是可往复的泵系统。
在工业应用中发现有许多液体是有用的，并且它们都由在使用之前按一定比例将几种不同成份的液体混合而成。在这些液体中包括的有多种油漆，密封剂及粘接剂。每种这样的液体都典型地存放于该成份的容器中，并且在应用过程期间几种成份按比例配制并混合起来。液体泵装置可连接至装单个成份的容器上，并且该液体泵装置可控制，从而将预定比例的各种成份从各自的容器中抽吸出来以供给单个液体供给线。将静态混合的集合管典型地置于液体供给线的流程中，从而在各自液体的流动中产生湍流，因此使供给施用装置的数种成份有效地混合成均匀的液体。工业性工厂常常用可往复的泵从各自成份的容器中抽吸，其中该泵铰接并由单个往复马达驱动，从而按均匀的比例从各自容器中抽吸液体成份。该适当的比例可由适当地选择泵的供给容量、由控制泵的各自的往复冲程或由其它液体配量装置来选定。尽管一个或多个混合装置典型地插在该供给线路中以保证成比例的液体的适当混合，但其后该液体成份沿一单个供给线路输送至施用装置。
本发明不涉及前述的混合装置，包括静态混合的集合管及其它类似装置，这些装置主要是用于在液体流程中产生湍流，从而保证液体成份完全混合。这些常规形式的混合器将液体成份均匀地混合，但不具有再分配不适当混合比例流过供给线路的液体分量的能力，即一静态混合器将产生湍流，从而沿供给线路的空间中的一点处之混合液体混合物，不管按什么混合比，在该混合点都将形成液体混合物。
利用泵尤其是往复冲程泵产生特殊的问题，这些问题在从启动、停止及冲程反向的过渡过程中是明显的。在泵启动或停止时而供给的液体容积能改变供给的数种成份的最佳混合比。相似地，当往复泵改变其冲程方向时，它将典型地引起一突然的压降及压力脉动，这就造成了不稳定的液体供给状态。这些液体不稳定引起供给系统变化偏离其均匀容积供给特性，并且当两个或多个往复泵连接在若干成份供给系统中时，则各自的液体不稳定可能在时间上在不同的瞬间发生。这就导致液体容积具有在液体供给线路中均匀一致的成份比，但被液体容积所散布开，该液体容积可能因上述不稳的供给状态所致而配成不适当比例。当在液体供给线路进行观察时，就可看出这种活动导致具有合适比例的混合液体成份的均匀流动，会由间隔的一股一股不适当比例的混合成份的液团所散布开。在液体供给线路中用静止混合器将使流过供给线的成份完全混合，但将不能改正超出理想参数之外的成份比。总体来说，若干成份的液体总是趋向于按均匀混合容积流过供给线路，但不能改正不适当比例的容积部分。随着液体流过供给线路，其比例问题需要不同形式的液体容积混合来解决。
本发明通过一液体供给线路沿纵向穿行路径均匀地分配液体，从而沿纵向穿行路径能够更完全地混合液体。因此，如果特定的液体容积浓度处于不适当的比例，该装置将沿长度方向通过液体供给线路将该比例误差扩散，从而与较大的液体容积混合在一起。该装置包括供给线路部分，该线路形成一种具预定截面的螺旋路径，这里，螺旋线的内半径和外半径比路径的截面宽度尺寸明显要大。螺旋流动路径的截面积定义了一“水力半径”，其可计算出来，并且在最佳实施例中该半径为小于0.04。这就使沿路径之外部运动的液体比沿路径内部运动的液体运动之距离远得多，因此沿长度方向扩展了通过该装置的液体比的效果。液体流过该装置的速度基本上保持恒定，这具有在流过该装置的更大容积的液体范围对该液体比进行积分的效果。
本发明之主要目的是提供一种在增加的液体流动容积的范围内对若干成份的液体进行积分的装置。
本发明之另一目的是当成比例的液体流过液体供给线路时将液体的容积流率混合，从而减小液体比的分离。
本发明之另一目的是提供一种若干成份的液体均匀地并按均匀的比例的混合液以供给一个共同的目的地。
本发明的前述及其它目的和优点将参照附图从以下说明书及权利要求中更明显地得知。
图1示出了本发明局部剖视的侧视图;
图1A示出了本发明的一部分的端剖轴侧图;
图2示出了本发明流动路径的放大图;
图3A示出了流动路径的简化剖面图;
图3b示出了大的一圈螺旋线的流动路径3的简化示意图。
首先参照图1，该液体积分仪10在局部剖视的侧视图中示出。该积分仪10具有一管状外壳12，带有一紧贴地嵌装于其中的圆柱杆15。杆15具有连续的螺旋槽20，该槽沿杆15的整个纵向长度方向延伸。积分仪10的各端具有连接件13，14，从而使其用螺旋连接连接至液体供给线路上。连接件14之剖视图示出其中心孔16是通孔，在任何情况下中心孔与螺旋槽20的各自端部都是按液体流动接触而对齐的。图1A示出了杆15的端部的轴侧图，其中示出孔16a与中心孔16是按液体流动接触而对齐的。杆15的端面15a是为了与连接件14的内接面接触的平面。流进中心孔16中的液体经中心孔16a导入螺旋槽20中。
螺旋槽20是相对于杆15的轴线11而切制的，具有外半经(ROD)和内半径(RID)，每个半径都以轴线11开始测量而得。螺旋槽20具有一截面宽度(W)，该宽度尺寸最好在整个槽中是均匀一致的，或者在某些实施例中是轻微地朝外锥形的。但该外锥度最好不超过约2°-3°。
图2示出了从图1中截取的放大截面2-2。图3A示出了槽20的截面积简化图;图3B示出了槽20的简化图，该槽的一圈螺旋线已被展开并以平面形式示出。图3B中的箭头示出液体流过槽20的方向。参照图3A和3B，通过液体积分仪10的螺旋路径的截面积A1是由下列公式决定A1＝WH这里的W等于螺旋槽20的宽度，H等于螺旋槽20的高度。但H是由下列公式决定的H＝ROD-RID因此，槽20的截面积是由下列公式决定
A1＝W(ROD-RID)占据一圈螺旋槽20的液体容积将图3B所示的面积与槽20的宽度相乘而决定。图3B所示的面积由下列公式决定A2＝π(R2OD-R2ID)因此，占据一圈螺旋槽20的液体容积由下列公式决定V1＝W·A2V1＝Wπ(R2OD-R2ID)在液体积分仪中液体之总容积由将一圈螺旋槽20的容积与圈数N乘而决定，即VTOT＝N·V1由于液体积分仪的重要功能是将流过供给线路的各液体容积混合在一起，尤其是将由于前述列出的不稳定状态而变得比例不适当的液体容积“团”混合在一起，因此，液体积分仪10的总容积比在一个不稳定阶段期间由泵系统供给的总容积要大是重要的。最好积分仪10的总容积选择为至少是泵系统在泵反向的间隔期间供给的容积的两倍。
如果以恒定流动速度流过液体积分仪10，则很明显在邻近螺旋槽的外直径的液体流动路径大大超过邻近螺旋槽内直径的路径长度。因此，如果流速恒定，则流过积分仪10最靠近外直径的液体将滞后流过积分仪10最靠近内直径的液体，因此，同时进入液体积分仪的任何增量液体容积将都在时间和空间上分别地离开液体积分仪10。实际上，沿外直径运动的液体将与沿内直径运动后来的液体混合，此时，沿内直径进入的液体将与早先到达的沿外直径运动的液体混合，所有这些都可沿长度方向将流过供给线的液体容积混合。因此，任何液体增量容积比的变化都成为在长度方向沿供给线路对液体的混合或散布，从而在相当大的液体容积范围内对比例变量进行积分。槽20的内外直径差值越大，则滞后时间越大，因此混合能力越大;即，螺旋槽20的圈数越大，则滞后时间越大。
前述的分析假定液体流过液体积分仪10为恒速，因此，重要的是控制构成液体积分仪10设计参数以获得恒定之流速，或精确地成接近的近似值。槽20的宽度保持窄到防止流体因成沟槽作用只通过槽的中部。在另一方面，槽20的宽度20足够大以允许一合理的液体流速而不会过份的总体压降。
Osberne Reynolds(雷偌)的工作已证明确定液体流过管道是否是层流还是湍流取决于管径，流动的流体的密度及粘度和流速。将这四个变量结合在一起的一个无量纲数值称为“雷偌数”，其是质量流的流体动力与由粘度产生的剪应力之比。对确定流过具圆形截面的通道的流动特性计算雷偌数是有用的。在计算非圆截面流体通道中，发明了称之为“流体半径”的术语，该流体半径(RH)定义如下RH＝ (流动截面积)/(湿围)在计算非圆截面通道的雷偌数时，用当量直径代替圆的直径，当量直径定义为水力半径RH的四倍。该当量直径不能用于流体通道宽度相对其长度非常小的流体通道中，但发现水力半径RH是一个与本发明相关的有用参数。据信这确实是事实，因为水力半径是通过流体通道的流动流体与流体通道边界表面接触的程度的指数。在本发明中，流体流道的宽度保持尽可能窄，以避免通过槽的中部产生成沟槽作用，但槽应是足够宽以使总体压降最小。
为了确定本发明在长度方向混合不同的液体成份的有效性，设计了三个实验，其中在每种情况下都将两种彩色成份注入流动通道。在每种情况下通道的宽度和深度都变化，每种情况都计算水力半径，并且长度方向的流动混合由径验值确定实验1通道宽＝W＝0.06通道高＝H＝0.5通道面积＝A1＝0.03水力半径＝RH＝0.027实验2W＝0.09H＝0.7A1＝0.063RH＝0.040实验3W＝0.125H＝0.5A1＝0.062RH＝0.05在实验1的情况下，该装置产生良好的长度方向的液体流动混合，但加大了通过整个流动通道的压降。在实验2中，长度方向的流动混合优异，并且总的压降认为是不过份的。在实验3中，尽管压降最小，但长度方向的流动混合极差。从前所述的内容可以确定，当水力半径小于或等于0.04时本发明表现出满意之效果，但当水力半径大于0.04时，本发明表现出不满意的长度方向流动混合的效果。
当进一步实验时，实验2的流动通道制造成一完整的积分仪，产生下列实验结果例子一典型的积分仪被计计用于喷涂具粘度大约50厘泊(CPS)的油漆的液体供给系统中，油漆是稍微能变性的，并且具有每分钟0.1至0.5加伦(gpm)的流动范围。液体积分仪设计具有下列物理参数ROD＝1.00，RID＝0.30，W＝0.09，N＝10前述积分仪的容量是42.2cm3(1·43流体盎司)。该设计产生一滞后时间系数为3.33;即沿外直径流动的液体将需要比沿内径流动的液体长达3.33倍的时间到达出口。因此，按该设计建立的积分仪将足够处理20cm3(CC)(0·7·流体盎司)的传递流动容积。前述计算假定槽20的宽度均匀一致，但实际应用中，槽20是制成其外半径处比其内半径处稍微大一点，从而符合非牛顿流体流动特性。
本发明在不脱离其精神实质或基本贡献的情况下由其它的特定形式实施，因此，希望本发明之实施例无论如何只能认为是为了说明用而不能限制本发明，所附之权力要求不是前述的说明而是表明了本发明的范围。
权利要求
1.一种用于将领先和滞后的液体流动容积在流体供给线路中混合在一起的液体积分仪，包括一个具有一轴向通孔的壳体，为了将所述壳体可密封地连接到所述液体供给线路中最靠近所述轴向孔的各自端部的装置，一个基本上占满该轴向孔的插入件，所述插入件具有一围绕其外表而延伸的螺旋槽，螺旋槽的各端与所述轴向孔的各自端部是液体流动接触的，所述螺旋槽的横截面宽度尺寸明显小于所述槽的横截面高度尺寸。
2.如权利要求1所述装置，其中所述螺旋槽横截面基本上为矩形。
3.如权利要求2所述装置，其中所述螺旋槽具有一其数值小于0.04的液力半径。
4.如权利要求3所述装置，其中所述槽的长度足够在该槽中存集至少1-5流体盎司的液体。
5.一种用于将领先和滞后的增量流动容积于液体供给线路中混合起来的液体积分仪，包括带矩形横截面的被封住的螺旋路径，用于将所述螺旋流动路径的各端部按顺次的液体流动布置与所述液体供给线路相连，所述横截面的宽度尺寸足够小，从而在流过所述螺旋路径的液体中在所述宽度尺寸范围内产生明显一致的压降。
6.如权利要求5所述装置，其中所述螺旋路径之水力半径小于0.04。
7.如权利要求6所述装置，其中所述螺旋路径具有足够大的高度尺寸，从而在流过所述螺旋路径中的液体中产生一基本上恒定的液体流动速度。
全文摘要
一种插入液体流动线路中的液体积分仪，用于将领先的和滞后的增量液体流动容积混合在一起，该装置包括一个可连接主流动线路上的壳体，一插入壳体中的圆柱形插入件，围绕该插入件的外表面具有螺旋槽。螺旋槽比其宽度明显深，并且具有小于约0.04的水力半径，螺旋槽足够长，从而含有的液体容积大约为希望混合的增量液体容积的两倍。
文档编号B01F5/06GK1094991SQ9311290
公开日1994年11月16日 申请日期1993年11月12日 优先权日1993年5月11日
发明者K·E·李尔克, M·P·麦科米克 申请人:格雷科有限公司