混合流喷嘴和控制系统的制作方法
【专利说明】混合流喷嘴和丨￡制系统
[0001]相关申请
[0002]本专利申请要求2014年6月20日提交的序列号为62015315的、名称为“混合流喷嘴和控制系统(HYBRID FLOW NOZZLE AND CONTROL SYSTEM)”的美国临时专利申请的优先权，该专利的内容通过引用而被纳入本文。本专利申请还要求2014年9月15日提交的序列号为62050530、名称为“喷雾系统的操作的时间变化控制(TIME VARYING⑶NTROL OF THEOPERAT1N OF SPRAY SYSTEMS)”的美国临时专利申请的优先权，该专利的内容通过引用而被纳入本文。
技术领域
[0003]本公开总体上涉及具有喷嘴的液体喷雾系统的操作和设计。
【背景技术】
[0004]在二十五年以前，使用脉冲信号致动阀的方法被引入以通过喷嘴来控制液体的流率和流体压力。其后，由于停止时间长导致不均匀的喷雾模式，因此该技术在很大程度上保持相同或未被使用。即使脉冲信号的频率增加，用于阀的致动器也不能足够快速地反应;流体泄露，这诸如在农业环境(例如作物、植株、树木、蔬菜、酿酒厂)中产生问题，其中喷雾器用于施加规定量的营养剂、除草剂、杀虫剂和水。在制造环境中，喷雾器用于将油漆颜料的涂层和化学制剂的层以及墨水施加在诸如塑料、纸张、半导体、金属等的表面上。在食品工业中，喷嘴清洗设备和表面。
[0005]当脉冲信号被用于控制流体的喷雾时，流体从传统的单个喷嘴中的排出被单个脉冲流控制。脉冲信号的电压极性被任意地选择，从而当脉冲位于较高值时，液体被喷嘴喷射，并且当脉冲位于较低值时，不喷射液体。开启(0N)状态被任意地选择以对应于液体被推送或排出的时间，并且关断(OFF)状态对应于没有液体。开启或关断脉冲的持续时间可以被改变(PWM，脉宽调制)以生成以改变流率。
【发明内容】
[0006]实施例包括单独的物理喷嘴，该物理喷嘴具有位于内部的或在喷嘴的外壁上具有互连的通道以合并流体。喷嘴具有至少两个阀，该至少两个阀以交替方式打开和关闭。该喷嘴安装在包括农业的或工业的喷雾悬臂的各种机具上。详细的描述、附图和权利要求中公开了其它的特征和实施例。
【附图说明】
[0007]随附的示例性附图、描述和权利要求中阐述了一个或多个实现方式的细节。
[0008]图1图不了不例性嗔嘴拓扑图。
[0009 ]图1A图示了操作图1的喷嘴拓扑图的示例性的时序图。
[00?0]图2图不了不例性嗔嘴拓扑图。
[0011]图2A图示了操作图2的喷嘴拓扑图的示例性的时序图。
[0012]图3图示了示例性喷嘴拓扑图。
[0013]图3A图示了操作图3的喷嘴拓扑图的示例性的时序图。
[0014]图4图不了不例性嗔嘴拓扑图。
[0015]图5图不了不例性嗔嘴拓扑图。
[0016]图5A图示了操作图5的喷嘴拓扑图的示例性的时序图。
[0017]图6图示了示例性喷嘴的理想化的附图。
[0018]图6图示了示例性喷嘴。
[0019]图7图示了喷嘴的示例性转头(turret)的横断面视图。
[0020]图8图示了示例性喷嘴管的一侧的横断面视图。
[0021]图9图示了示例性喷嘴管或示例性转头的端视剖面图。
[0022]图10图不了另一不例性嗔嘴的附图。
[0023]图11图不了图10的不例性嗔嘴的横断面视图。
[0024]图12图示了包括单个出口喷射器的示例性喷嘴的横断面视图。
[0025]图13图示了包括合并的出口喷射器的示例性喷嘴的横断面视图。
[0026]图14图示了具有多个合并的出口的示例性喷嘴。
[0027]图15图示了具有端部出口的示例性喷嘴。
[0028]图16图不了具有多个输入的不例性嗔嘴。
[0029]图17图示了示例性喷嘴。
[0030]图18图示了示例性喷嘴。
[0031 ]图19图不了图18的不例性喂'嘴的仰视图。
[0032]图20图不了图18的不例性嗔嘴的横断面视图。
[0033]图21图示了示例性喷嘴。
[0034]图22图不了图18的不例性嗔嘴的另一横断面视图。
[0035]图23图不了不例性嗔嘴的顶视图。
[0036]图24图示了示例性阀塞的透视图。
[0037]图25图示了示例性阀塞的透视图。
[0038]图26图示了转头容器的透视图。
[0039]图27图示了示例性喷嘴的分解图。
[0040]图28图不了不例性嗔嘴的分解图。
[0041 ]图29图示了示例性喷嘴的横断面视图。
[0042]图30图示了具有多个阀致动器的喷嘴的示例性操作的流程图。
[0043]图31图示了喷嘴的在脉宽调制(PWM)或连续喷雾控制下或二者下的示例性操作的流程图。
[0044]图32图示了安装在示例性喷雾器悬臂或臂上的示例性喷嘴。
[0045]图33图示了安装在示例性喷雾器悬臂或臂上的示例性喷嘴。
[0046]图34图示了安装在示例性喷雾器悬臂或臂上的示例性喷嘴。
[0047]图35图示了安装在示例性喷雾器悬臂或臂上的示例性喷嘴。
[0048]图36图示了安装在示例性喷雾器悬臂或臂上的示例性喷嘴。
[0049]图37图示了具有喷雾器悬臂的农业车辆，其中悬臂上安装有示例性的喷嘴。
[0050]图38图示了牵引喷雾器悬臂的农业车辆，其中悬臂上安装有示例性的喷嘴。
[0051]图39图示了具有附接机架的飞行器，其中机架上安装有示例性的喷嘴。
【具体实施方式】
[0052]与常规喷嘴相比，所公开的示例性喷嘴在无需改变喷嘴梢以避免尤其在行进方向上的不规则的喷雾覆盖范围的情况下，能够适应更宽范围的操作情况(例如更慢或更快的喷雾、更均匀的覆盖范围、不同的喷嘴梢)。进一步地，对喷射(或喷淋)特性的适当控制应当不仅提供覆盖范围，还应当使偏离目标的偏移和喷雾到邻近区域的浪费最小化。
[0053]示例性实施例包括本地地或远程地控制(例如电子的或无线的)的喷雾器喷嘴主体，该喷雾器喷嘴主体具有灵活性以便在众多物理构造之间自动地或手动地切换，并且依然能够连续地或在脉宽调制(PWM)控制下分散液滴或气溶胶。脉宽调制控制的方法交替进行以增加喷射速度和喷射均匀性。使喷嘴能够正常地适应交替的脉冲调制的物理实现是困难的。在进行了许多实验和重新设计以避免因交替地操作在喷嘴主体中彼此邻近的阀和致动器而导致的干扰作用之后，可以建立混合形式。一种混合方式包括操作具有在脉宽调制控制下的多个头部和致动器的喷嘴主体。公开的构造还允许更快地改变喷射速度、对液滴尺寸的更多的控制、防止喷雾偏差和遗漏(停止时间或全关断时间)。示例性的实施例还提供了对于流率渐进改变的更好的解决方案，并且通过改变流率来保持几乎恒定(优于95%)的压力以生成均匀的液滴尺寸。在一些实施例中，即使当脉冲宽度的占空因数低于50%，也可以避免在喷雾器正在行进的同时没有喷嘴主体处于开启状态的情况。通过在单个喷嘴主体上提供大量物理构造以及脉宽调制控制技术，能够实现覆盖较宽的频率范围和操作条件的灵活性。
[0054]本公开使用理想的附图首先呈现了单个喷嘴主体或保持器的操作和物理构造。图1-5示出了用于单个喷嘴主体的示例性喷嘴拓扑图2A-2E，所述单个喷嘴包括至少一个流体入口、控制流体流的阀、和至少一个流体出口。虽然图中显示阀位于外侧，但通常阀被定位在喷嘴主体内，或恰好位于喷嘴主体的周边。出口或多个出口也是喷嘴主体的一部分，或恰好位于周边；出口允许流体的释放。拓扑图是简化的附图，以帮助对流体流的路径和操作机理的理解。在许多测试和设计修改之后，已经发现某些物理实现方式能够很好地工作，如下所述。
[0055]图1图示了具有喷嘴主体4A的示例性喷嘴拓扑2A，该喷嘴主体分别在路径22和24上具有两个闸门或阀30和32。喷嘴主体4A将流体和液滴选择性地释放到出口 40。喷嘴拓扑2A从入口 20接收液体输入，通过打开和关闭阀30和32进行控制，所述液体输入的至少一部分流到出口40。通过阀30和32的控制，流体可以分别地沿路径22和24中的任一条或二者行进。出口 40附接到至少转头主体、喷嘴梢或喷嘴盖，或可以被至少所述转头主体、喷嘴梢或喷嘴盖物理地覆盖。根据最终用途的目的，喷嘴主体4A可以具有不同的形状，包括软管、管道、球体、具有孔的单个喷嘴主体或其它的几何形状。图1图示了可以构成整个喷嘴的拓扑，或该拓扑可仅构成单个喷嘴的一部分。图1的构造被集成为喷嘴主体4E的一部分(例如图5的喷嘴的左侧)，从而两个阀打开和关闭以将流体从入口 20传送到单个出口 40。此外，阀30和32可以在设计上是相同的或不同的。
[0056]图1A图示了喷嘴拓扑2A的示例性操作。电脉冲信号3和5分别地施加到用于打开和关闭阀30和32的相应的致动器(未示出或可以是阀的一部分)。例如，致动器是诸如同轴式电磁阀的柱塞式致动器。当电流流过(被卷绕在铁芯上的)产生电磁场以推进铁芯或提升阀移动的螺线管时，每个阀3 0或3 2被打开和关闭。铁芯或提升阀的运动推动或拉动与铁芯或提升阀相关联的阀30或32。可替换地，线性音圈致动器(例如无磁滞的、电磁推挽式致动器)、电压驱动阀、液压阀或活塞阀被使用。电气阀包括沿着喷雾悬臂的长度运行以切换打开或关闭阀30或32的电力线路。在本公开中，极性被任意地选择，从而信号的较高值对应于阀打开或开启(0Ν)，并且信号的较低值对应于阀关闭或关断(OFF)。在图1A中，在喷嘴主体4A的全部操作周期T的过程中，脉冲信号3在超过周期T的50%的持续时间内为0N(超过50%的占空因数)，同时脉冲信号5在小于周期T的50%的持续时间内为OFF(小于50 %的占空因数)。占空因数通常指流体被释放到目标物体的时间相对于总操作时间的百分比。在图1A的示例中，阀30打开以允许流体流动持续超过周期T的50 %，并且阀32打开以允许流体流动持续小于周期T的50%。图1A图示的总信号脉冲群或所产生的信号脉冲群具有比任一脉冲信号3或5的频率高两倍的频率。流体滴的喷射速度比仅具有一个在脉宽调制信号下操作的阀的喷嘴主体4A的喷射速度快两倍。
[0057]在图1A中，脉冲信号3和5的宽度是固定的；为调节流率或流体压力，所述宽度根据持续时间和极性进行调制、增加或减少(不考虑阀的打开是否对应于0N还是对应于OFF)。并且，对于一些类型的化学制剂或涂料，制造商规定了实现最佳覆盖范围的最佳的流体的量。对应的流体流率或流率范围被预先选择以实现这种覆盖，这经常涉及基于喷嘴的或安装喷嘴的车辆的行进速度对脉冲宽度进行调制以使其保持在规定范围内。进一步地，为产生抖动效果或更分散、扩散的液滴，每个脉冲信号3和5的频率或持续时间被改变或调制，而非如图1A中所示那样固定。被输送或喷射的流体的体积部分地依赖于占空因数或阀30和32能够保持打开多长时间。图1A的示例图示了不对称操作，并且从阀30释放的流体比从阀32释放的多。在该示例中，脉冲信号3和5是不重叠的，并且它们正在异相地操作。如果用整个周期T来展现360度，则脉冲信号3和5的前沿相隔或异相约250-300度。信号3和5被独立地生成;或者，它们来自相同的源信号。例如，如果信号3是源信号，则其被复制，然后被相移以生成信号5;或脉冲信号3的前沿在阀30上操作，并且信号3的后沿在阀32上操作(信号3通过反相(invers1n)被复制以向阀32提供适当的极性)。在其它的操作示例中，由于或者阀30或者阀32(被使用)，因此脉冲信号3和5重叠或更加对称，以实现液滴的更加重复的释放。在其它示例中，信号3和5是正弦曲线或锯齿波形(ramp)而非脉冲，以使喷射的液滴具有更加渐进的开启或关断，或以逐渐向阀施加压力以打开和关闭该阀。
[0058]在喷洒涂料、营养剂、除草剂或杀虫剂的实施例中，其中可能有不同类型的流体被喷洒，阀的不对称操作能够实现被喷射的流体的不同的需要的比率。当希望喷洒不对称的流体时，一种示例性的可能是在喷嘴主体4A的入口 20中创建分配器(divider)。分配器(未示出)将不同类型的流体分开，从而不同类型的流体流进喷嘴主体4A内不同的腔中，并且随后分别通过相应的阀30和32的作用推送喷嘴主体4A外。在其它的示例中，当两种流体混合到一起或同时地喷射时，脉冲信号3和5在周期T的至少一部分持续时间内重叠。
[0059]图2图示了具有单个出口的另一示例性喷嘴拓扑2B。喷嘴拓扑2B具有喷嘴主体4B，该喷嘴主体具有分别位于路径22、24和26上的三个阀30、32和34，这些路径在该示例中被平行地绘制。喷嘴主体4B将流体和液滴选择性地释放到出口 40。喷嘴拓扑2B从入口 20接收液体输入，通过打开和关闭阀30，32和34进行的控制，液体输入的至少一部分流到出口40。出口 40附接到至少转头主体、喷嘴梢或喷嘴盖，或可以被所述至少转头主体、喷嘴梢或喷嘴盖覆盖。根据最终用途目的，喷嘴主体4B包括具软管、管道、球体、具有孔的常规单个喷嘴主体或其它的几何形状。
[0060]图2A图示了喷嘴拓扑2B的示例性操作，其特别示出了流体释放的频率如何被增加的。电脉冲信号3和5和7分别地施加到用于打开和关闭阀30和32和34的相应的致动器。在图2A中，在全部操作周期T的过程中，脉冲信号3、5和7中每一个都在小于周期T的50%的持续时间内为0N(小于50 %的占空因数)；这些脉冲信号在周期T的约10-20 %的时间内为0N，并且允许流体在周期T的小于10-20%的时间内流过每个阀。脉冲信号3、5和7的开启(0N)相位在振幅和持续时间方面相同。三个示例性脉冲信号3、5和7在相位上移动100-120度，从而图2A图示的总信号脉冲群或所产生的信号脉冲群具有比单个脉冲信号3、5或7中的任何一个