空化反应器的制作方法

1.本发明应用在空化反应器领域中，其使用空化来处理流体(包括例如液体的混合物、液体和固体的混合物或液体和气体的混合物)以改善流出反应器的流体的均匀性，或减小分散在液体中的固体颗粒或气泡的尺寸。特别地，本发明涉及一种具有简化构造的高效的空化反应器以及一种制造这种反应器的方法。


背景技术：

2.当在导管中流动的流体经历了显著的压力改变(例如由于流体的速度或方向突然改变)时，发生空化。在导管的最小压力位置处，流体的平衡蒸气压可能超过流体的内部压力，从而导致尤其是在液体受到高张力的区域中形成蒸气气泡。当流体压力再次增加时，例如由于流体在进入泵时超过了最小压力点，气泡就会内爆，从而产生热量和超声流体动力冲击波，这很可能对泵零件造成显著损坏。
3.在这种情况下，空化具有破坏作用，因此通常将泵和液压系统设计为通过下述方式避免气泡形成：使流体压力始终保持大于阈值，并且避免使流体经历指向较高压力区域的张力的突然的压力改变。
4.在其它背景下，可以控制空化以使用由此在待处理的流体上产生的冲击波和热量，而不会损坏发生此现象的设备。受控的空化的有益的应用的特定示例包括用于流体(例如不同液体的混合物、液体和固体颗粒的混合物或液体和气体的混合物)的混合、均匀化、加热、巴氏灭菌、漂浮、乳化、萃取、反应以及微粒或分子还原。为了避免损坏设备，空化必须发生在流体中间远离设备零件的位置处。
5.空化器或空化反应器的一个示例由本申请人在专利申请ep 3278868中公开。这种反应器包括定子和转子，转子被收纳在定子的筒状的空腔中。流体被引入空腔中，并由转子的旋转运动驱动，在转子周围流动，并且从空腔中排出。转子具有截头锥形的形状，并且转子的侧面具有在其中形成的盲孔，盲孔有助于气泡的形成和内爆。
6.其它现有技术的空化反应器包括筒状的转子，该转子在其侧面上也具有盲孔。在us 7,354,227、us 2009184056和de 2016182903中公开了这种反应器的示例。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种具有简化结构的空化反应器，从而降低制造成本。本发明的另一目的是提供一种具有高效率的空化反应器。
8.这些和其它目的通过如所附方案中任一项限定的空化反应器和制造空化反应器的方法得以实现。特别地，申请人惊奇地发现，可以以低成本对具有封闭的叶轮的已知的离心泵进行改造，以获得可以有效使用的空化反应器，而不会对泵/反应器造成显著损坏，甚至不会对其造成任何损坏。
9.如离心泵，本发明的空化反应器包括定子和转子，转子具有容纳在定子内部的腔室中的离心级。流体可以经由定子的第一和第二开口进入和离开腔室。特别地，如已知的泵
的流体进入开口，第一开口形成用于流体的纵向流动的引导件。离心级包括两个壁，两个壁被配置为横向于转子的旋转轴线的方向。在两个壁之间形成有间隙，并且该间隙被在周向上间隔的分隔件划分为多个隔室，该分隔件例如由离心泵的叶片组成。该间隙与定子腔室在离心级的外部、离心级的周部处流体连通。
10.在现有技术的离心泵中，已知流体在经由开口进入间隙之后流动经由间隙，该开口定位在界定间隙的两个壁中的一者中的中心，特别地该壁靠近第一开口，流体被设计为经由第一开口进入间隙然后在离心级的周部处离开间隙。与现有技术不同，根据本发明，该壁在其中心部处封闭。
11.因此，尽管在间隙中仍然存在流体，但是该流体不被迫进入间隙以在定子的第一开口和第二开口之间流动，而是可以例如在离心级周围流动。
12.有利地，在间隙外部的流体(其由于由离心级可旋转地驱动而在定子中具有流速)和在间隙内部的流体(其相对于包含其的离心级是静态的)之间获得压差。因此，流体受到引起期望空化的张力。申请人还发现，空化趋向于集中在两个分隔件之间的空间中，远离两个分隔件，在该处流体具有较低的摩擦力，从而避免了对离心级的损坏。
13.在优选的实施方式中，间隙的隔室在离心级的中心部处彼此连通。因此，该区域中的流体受到指出离心级的相反的张力，这进一步有助于远离要保留的反应器零件地发生空化。
14.该反应器可以通过封闭用于进入间隙的中心开口而由合适的离心泵形成，离心泵使用现成的构造，这在制造成本方面最优。当然，由于主要应用成为空化的这种改变，泵送能力显著降低。
15.应当注意，不同于仅提供单向流动的离心泵，本发明的空化反应器既可以用于从纵向引导的第一开口流向第二开口的流体，也可以用于从第二开口流向第一开口的流体。
附图说明
16.如在附图中所示，将从空化反应器的说明性的、非限制性的描述中更加清晰地得出本发明的进一步的特性和优点，其中：
17.‑
图1示出了根据本发明的第一实施方式的空化反应器的侧向截面图，
18.‑
图2示出了根据本发明另一实施方式的空化反应器的侧向截面图，
19.‑
图3示出了根据本发明的又一实施方式的空化反应器的侧向截面图，以及
20.‑
图4示出了图3的空化反应器的前视图，其中未示出反应器的封闭构件。
具体实施方式
21.参照附图，根据本发明的一个实施方式的空化反应器整体地由数字1标记。反应器1包括定子2和可旋转地连接至定子2的转子3。
22.定子2界定了至少部分地容纳转子3的腔室21。更详细地，定子2的腔室21由定子2的前壁22、后壁23和周壁24界定。前壁22和后壁23在纵向x
‑
x上间隔开。周壁24将前壁22和后壁23连接，并且优选地被形成为离心或筒状涡壳。
23.定子2具有第一开口25和第二开口26，用于将流体引入到腔室21中并从腔室21中排出。特别地，第一开口25可以用作流体入口而第二开口26可以用作流体出口，或相反地第
一开口25可以用作流体出口而第二开口26可以用作流体入口。
24.第一开口25具有引导部27，引导部27的形状旨在在纵向x
‑
x上引导流体流动。例如，在附图的实施方式中，第一开口25形成在定子2的前壁22中。在其它实施方式中，第一开口25可以在引导部27处具有通道，通道不一定是直的、不一定与第一开口25关联并且不一定朝向腔室21的内部终止。
25.在附图所示的实施方式中，第二开口26形成在定子2的周壁24中，以允许流体在垂直于纵向x
‑
x的方向(例如在径向r
‑
r上)流动，径向r
‑
r远离定子2的纵向中心轴线延伸。然而，还可以提供第二开口26形成在定子2的后壁23中的实施方式。
26.转子3包括驱动轴31，驱动轴31主要在纵向x
‑
x上延伸。驱动轴31连接至定子2，并且适于绕着旋转轴线a
‑
a相对于定子2旋转，旋转轴线a
‑
a在纵向x
‑
x上延伸并且优选地与定子2的纵向中心轴线重合。
27.驱动轴31可以适于在定子2的腔室21内部或外部与电动马达(未示出)连接，以相对于定子2可旋转地驱动转子3。
28.转子3包括固定到驱动轴31的至少一个离心级4。因此，离心级4适于与驱动轴31一起绕着旋转轴线a
‑
a相对于定子2旋转。
29.如在下文中更清楚解释地，如在已知的多级离心泵中地，转子3可以包括多个离心级4，多个离心级4固定到驱动轴31并且在纵向x
‑
x上间隔开。首先将描述单个离心级4的特性，但是除非另有说明，否则这些特性应被理解为适于所有级4。特别地，以下特性优选地至少适用于最接近定子2的第一开口25(即最接近定子2的前壁22)的离心级4。
30.离心级4被容纳在定子2的腔室21中，并且被定子2的周壁24包围。因此，定子2的腔室21具有管状区域28，管状区域28径向地包围整个离心级4并且被限定在离心级4和定子2的周壁24之间。管状区域28还包围旋转轴线a
‑
a，并且优选地从定子2的前壁22纵向延伸至后壁23。
31.定子2的第一开口25的引导部27在纵向x
‑
x上面对离心级4，并且更详细地，旋转轴线a
‑
a延伸经由引导部27。
32.离心级4包括第一壁41和第二壁42。第一壁41和第二壁42在纵向x
‑
x上间隔开以限定位于第一壁41和第二壁42之间的间隙43。
33.第一壁41靠近定子30的第一开口25，第二壁42远离第一开口25。换言之，第一壁41布置在第二壁42和第一开口25之间。更详细地，第一壁41和第二壁42均具有内表面41a、42a和外表面41b、42b。第一壁41和第二壁42的内表面41a、42a彼此面对并且面对间隙43。
34.因此，间隙43是在离心级4中在第一壁41和第二壁42之间形成的凹部。换言之，间隙43在纵向x
‑
x上由第一壁41和第二壁42的内表面41a、42a界定。此外，间隙43径向延伸至腔室2的管状区域28。
35.相反地，第一壁41的外表面41b与对应的内表面41a相反并且面对定子2的第一开口25。同样地，第二壁42的外表面42b与对应的内表面42a相反，但背对定子2的第一开口25。
36.第一壁41和第二壁42被配置为横向于纵向x
‑
x，并且这同样适用于第一壁41和第二壁42的各自的内表面41a、41b和外表面42a、42b。此外，第一壁41和第二壁42径向突出于驱动轴31。例如，在所示的实施方式中，第一壁41和第二壁42是径向延伸的壁。因此，以与特定离心泵的径向叶轮的通常已知的方式类似的方式，转子3是径向转子。换言之，第一壁41
和第二壁42可以被成形为以旋转轴线a
‑
a为中心的盘或环，并且第一壁41和第二壁42可以被配置成垂直于纵向x
‑
x。因此，间隙43大体上主要在径向r
‑
r上延伸。
37.第一壁41和第二壁42不一定具有如附图中示意性示出的平面形状。因此，在其它实施方式中，第一壁41和第二壁42也可以具有适于限定锥形或漏斗形转子3的三维形状，类似于已知离心泵的锥形叶轮。换言之，在这些壁中，位于离心级4的靠近旋转轴线a
‑
a的中心部45处的中心部相对于位于离心级4的与旋转轴线a
‑
a间隔开的周部46处的壁的周部朝向定子2的第一开口25突出。
38.离心级4包括配置在间隙43中的多个分隔件44。分隔件44可以被成形为离心泵的叶片，并且因此可以具有直的或弯的轮廓，从而与绕着旋转轴线a
‑
a延伸的在转子3的旋转方向上定向的周向c
‑
c限定锐角或钝角(grave angle)。然而，应当注意可以在转子3在两个可能的方向上绕着旋转轴线a
‑
a的旋转中获得受控的空化效应。
39.各分隔件44在靠近旋转轴线a
‑
a的内端44a和与旋转轴线a
‑
a间隔开的周端44b之间延伸。此外，分隔件44绕着旋转轴线a
‑
a在周向上间隔开。因此，分隔件44将间隙43划分为多个隔室47，多个隔室47在离心级4的中心部45和离心级4的周部46之间延伸。
40.当驱动轴31相对于定子2旋转时，分隔件44被设计为在间隙43中可旋转地驱动流体。这将在位于离心级4的中心部45处的间隙43中的流体和位于离心级4的周部45处的流体之间制造压差。这种由离心旋转力导致的压差趋于使流体从离心级4的中心部45经由隔室47流至离心级4的周部46。换言之，中心部45处的压力低于周部46处的压力。
41.间隙43(特别是隔室47)与定子2的腔室21的管状区域28在离心级4的周部46处流体连通。换言之，第一壁41的自由周缘优选地在纵向x
‑
x上与第二壁42的自由周缘间隔开。因此，腔室21中的流体可以流入和流出第一壁41和第二壁42的自由周缘之间的间隙43。
42.在本发明的一个方面中，第一壁41在离心级4的中心部45处封闭，从而防止流体经由间隙47(即经由其隔室47)在第一开口25和离心级4的周部46之间流动。更详细地，在中心部45处防止定子2的腔室21与间隙43之间在离心级4的外部形成流体连通。此外，在优选的实施方式中，间隙43与腔室21的其余部分(即与腔室21的管状区域28)仅在离心级4的周部46处在第一壁41和第二壁42的自由周缘之间形成流体连通。
43.应当注意，如现有技术中的离心泵，第二壁42同样在离心级4的中心部45处封闭，从而防止流体经由间隙47在第二开口26和离心级4的周部46之间流动。
44.在特定实施方式中，如图2至图4中的示例所示，第一壁41由离心级4的封闭构件48封闭。更详细地，离心级4的第一壁41在离心级4的中心部45处具有中心开口49。封闭构件48优选地以可移除的方式固定到第一壁41以封闭中心开口49。
45.当没有封闭构件48时，如已知的离心泵，这种中心开口49可以适于用作用于离心级4的流体进口。在具有明确的中心开口49的情况下，流体将例如经由第一开口25进入腔室21，由于上述压力差，将经由中心开口49被吸入间隙43中，随后将在间隙43中朝向离心级4的周部46流动，并且将被从间隙43排出到腔室21的管状区域28中以到达第二开口26。
46.然而，封闭构件48阻塞该流体路径。特别地，流体将不会在径向上连续地在间隙43中流动，并且将仅在间隙43的内部与腔室21的管状区域28之间、在间隙43外部、在离心级4的周部46处提供流体混合物。
47.具有中心开口49的实施方式可以从已知的离心泵(未示出)中获得，特别是从具有
封闭的叶轮(或转子)的离心泵中获得，除了离心级4的第一壁41在中心部45处封闭的事实外，该离心泵大体上可以表现出目前所讨论的所有特征。一旦提供了这种泵，封闭构件48将被简单地固定到第一壁41以封闭其中心开口49。
48.可选地，如图1所示，第一壁41可以不具有中心开口9并且例如被形成为具有封闭的较小的嘴部的实心盘或漏斗。这可以被视为等同于与第一壁41形成一件式的封闭构件48。因此，该实施方式不需要在制造后对已知的离心泵进行改变，但是可能需要在制造之前以依旧很低的成本进行设计改变。
49.应当注意，如上所述，由于离心泵的典型的流体路径是封闭的，因此应当在腔室21的第一开口25和第二开口26之间设置用于流体流动的可选的通路。因此，在优选实施方式中，离心级4的第一壁41与定子2的前壁22间隔开。此外，离心级4的周部46与定子2的周壁24间隔开。如下所述，无论如何相对小的距离都是可接受的，只要它们足以使流体通过即可。
50.这将允许流体在离心级4周围经由管状区域28在第一开口25和第二开口26之间流动。更详细地，流体流动经由第一开口25，其大体上在径向r
‑
r上在离心级4的第一壁41和定子2的前壁22之间流动，然后流入管状区域28中，即在离心级4的周部46和定子4的周壁24之间大体上在纵向x
‑
x上流动，并且优选地由于转子3的旋转而具有周向分量，并且最终其流动经由第二开口26。可选地，流体也被准许在空化反应器1的相同部分中在与上述方向相反的方向上流动。
51.这种流体流动路径在附图中由箭头f示意性地示出。然而，应当理解，也准许转子3在与箭头f相反的方向上旋转的操作。
52.在优选的实施方式中，如图2所示，间隙43的隔室47在离心级4的中心部45处彼此流体连通。换言之，两个相邻的分隔件44的内端44a限定了用于流体的位于其间的自由通路，该流体从配置在两个分隔件44之间的一个隔室47流到其余隔室44。有利地，在离心级4的中心部45处的间隙43中的流体受到相反的张力，该张力通常由双箭头t标注，双箭头t指向离心级4的周部46，这有利于空化。
53.在可选实施方式中，如图3所示，例如通过封闭构件48在离心级4的中心部45处防止间隙43的隔室47之间的流体连通。换言之，封闭构件48与分隔件44的内端44a接触，并且更详细地，封闭构件48被成形为阻塞成对的相邻的分隔件44的内端44a之间的空间。由于离心级4的中心部45和周部46之间的压差无论如何都能获得空化。因此，流体受到单向的张力。
54.申请人发现，空化反应器1的操作需要将转子3整个浸入流体中。特别地，值得确保应该从间隙43挤出(expelled)空气。
55.为此目的，优选地设置有压力调节构件，其被构造为将腔室21中的流体压力保持大于适于防止空气在间隙43中(尤其是在离心级4的中心部45处)积聚的阈值。
56.然而，本领域技术人员将迅速地理解，在被构造为将流体供应至反应器1以进行处理并容纳被处理的流体的液压系统的背景下，间隙43中的压力受到空化反应器1的安装条件的强烈影响。因此，可以通过反应器1外部的液压系统的部分来进行压力调节，例如液压系统的一个或多个泵或阀，或相反地，依据液压系统的结构和操作特征，可以以与反应器1分开的方式设置压力调节构件或也可以省略。
57.如上所述，转子3可以包括一个或多个离心级4，一个或多个离心级4固定到驱动轴
31并且在纵向x
‑
x上间隔开，如已知的多级离心泵。离心级4可以全部容纳在定子2的相同的腔室21中，或者容纳在定子2的不同的腔室21中。
58.这可以被提供以使得流体经历更强的空化，或者是鉴于提供除了空化能力之外还具有泵送功能的空化反应器1。换言之，单个整体式装置可以适于同时完成受控的空化和常规的泵送任务。
59.在此，转子3包括两种类型的离心级4，即用于空化的至少一个第一离心级4，其具有目前所讨论的特征，和用于泵送的至少一个第二离心级(未示出)。各第二离心级均可以包括如上所述的一些特征，但是不包括与封闭第一壁41有关的特征。
60.特别地，对于第二离心级而言，第一壁41在级4的中心部45处具有明确的中心开口49。因此，第二离心级被构造为将流体从明确的中心开口49经由其间隙43沿着隔室47泵送到其周部46。因此，泵送离心级与空化离心级4的不同之处在于，它们具有用于流体进入间隙43的明确的中心开口49，并且它们通过其自身的设计或由于在位于中心却并不明确的开口49处提供封闭构件48而不具有封闭的第一壁41。
61.优选地，在空化离心级4的上游配置有泵送离心级，以在空化级中提供最大的流体压力。换言之，第一离心级4远离定子2的第一开口25，并且第二离心级靠近定子2的第一开口25(即第一离心级4被配置在第二离心级和定子2的第一开口25之间)。
62.在不脱离所附权利要求所限定的范围的情况下，本领域技术人员显然可以设想对以上讨论的变型进行许多等同的改变。