ES2345545T3 - Aparato de chorro de agua ultrasonico. - Google Patents
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Abstract
Aparato de chorro de agua ultrasónico (10) que comprende: una entrada de agua a alta presión (24) para recibir un flujo de agua a alta presión; un generador ultrasónico (21) para generar impulsos eléctricos de alta frecuencia; una unidad de control (23) para controlar una frecuencia de los impulsos eléctricos; una boquilla ultrasónica (60) que presenta: un transductor (62) para recibir los impulsos eléctricos de alta frecuencia del generador ultrasónico, convirtiendo el transductor los impulsos eléctricos en vibraciones; una micropunta (64) que comprende: un soporte (67) conectado al transductor; un vástago (65) conectado al soporte y que se extiende aguas abajo hacia un orificio de salida (61) de la boquilla, vibrando la micropunta de manera ultrasónica para generar así un chorro de agua impulsado forzado, caracterizado porque la micropunta (64) comprende una pestaña (69) conectada al soporte para aislar el transductor del flujo de agua a alta presión; y porque el soporte (67) comprende un roscado para fijarse al vástago (65).
Description
Aparato de chorro de agua ultrasónico.
La presente invención se refiere, en general, a
chorros de agua a alta presión para limpieza y corte y, en
particular, a chorros de agua modulados en alta frecuencia.
Son bien conocidos en la técnica los chorros de
agua a alta presión de flujo continuo para aplicaciones de limpieza
y corte. Dependiendo de la aplicación particular, la presión del
agua requerida para producir un chorro de agua a alta presión puede
ser del orden de algunos miles de kPa o libras por pulgada cuadrada
(psi) (1.000 psi = 6.900 kPa) para tareas de limpieza bastante
sencillas hasta decenas de miles de libras por pulgada cuadrada
para cortar y eliminar recubrimientos endurecidos.
Se dan a conocer ejemplos de sistemas de chorro
de agua a alta presión de flujo continuo para cortar y limpiar en
las patentes US nº 4.787.178 (Morgan et al.), nº 4.966.059
(Landeck), nº 6.533.640 (Nopwaskey et al.), nº 5.584.016
(Varghese et al.), nº 5.778.713 (Butler et al.), nº
6.021.699 (Caspar), nº 6.126.524 (Shepherd) y nº 6.220.529 (Xu). Se
encuentran ejemplos adicionales en las solicitudes de patente
europea EP 0 810 038 (Munoz) y EP 0 983 827 (Zumstein), así como en
la publicación de solicitud de patente US US 2002/0109017 (Rogers
et al.), US 2002/0124868 (Rice et al.) y US
2002/0173220 (Lewin et al.).
La tecnología de chorro de agua de flujo
continuo, de la que lo expuesto anteriormente son ejemplos, sufre
ciertas desventajas que hacen que los sistemas de chorro de agua de
flujo continuo sean caros y engorrosos. Tal como los expertos en la
materia podrán apreciar, el equipo de chorro de agua de flujo
continuo debe diseñarse de manera robusta para resistir las
presiones de agua extremadamente altas implicadas. En consecuencia,
la boquilla, las tuberías de agua y los conectores son voluminosos,
pesados y caros. Para suministrar un chorro de agua a ultra alta
presión, se requiere una bomba de agua a ultra alta presión cara, lo
que aumenta adicionalmente los costes tanto en cuanto al coste de
capital de una bomba de este tipo como los costes de energía
asociados con el funcionamiento de una bomba de este tipo.
En respuesta a las deficiencias de los chorros
de agua de flujo continuo, se desarrolló una boquilla pulsátil
ultrasónica para suministrar agua modulada en alta frecuencia en
paquetes no continuos, casi diferenciados, o "impulsos de
presión". Esta boquilla ultrasónica se describe e ilustra en
detalle en la patente US nº 5.134.347 (Vijay) presentada el 13 de
octubre de 1992. La boquilla ultrasónica dada a conocer en la
patente US 5.154.347 traducía las oscilaciones ultrasónicas de un
generador ultrasónico en vibraciones mecánicas de ultra alta
frecuencia que podían transmitir miles de impulsos por segundo al
chorro de agua a medida que se desplazaba a través de la boquilla.
Los impulsos del chorro de agua transmiten una presión de golpe de
ariete sobre la superficie que va a cortarse o limpiarse. Debido a
este rápido bombardeo de mini-impulsos de presión de
agua, que transmiten cada uno una presión de golpe de ariete sobre
la superficie objetivo, la capacidad erosiva del chorro de agua se
potencia enormemente. La boquilla pulsátil ultrasónica que corta o
limpia puede por tanto cortar o limpiar mucho más eficazmente que
los chorros de agua de flujo continuo de la técnica anterior.
Teóricamente, la presión erosiva que golpea la
superficie objetivo es la presión de estancamiento, o ½\rhov^{2}
(donde \rho representa la densidad del agua y v representa la
velocidad de impacto del agua cuando choca contra la superficie
objetivo). En cambio, la presión que se produce debido al fenómeno
de golpe de ariete es \rhocv (en el que c representa la velocidad
del sonido en el agua, que es aproximadamente de 1524 m/s). Por
tanto, el aumento teórico de la presión de impacto logrado mediante
la pulsación del chorro de agua es de 2c/v. Incluso si se omite la
resistencia aerodinámica y se supone que la velocidad de impacto se
aproxima a la velocidad de descarga del fluido de 1500 pies por
segundo (o aproximadamente 465 m/s), el aumento de la presión de
impacto es de aproximadamente 6 a 7. Si el modelo considera la
resistencia aerodinámica y la velocidad de impacto es de
aproximadamente 300 m/s, entonces el aumento teórico sería de diez
veces.
En la práctica, debido a las pérdidas por
fricción y otras ineficacias, la boquilla ultrasónica pulsátil
descrita en la patente US nº 5.154.347 transmite de aproximadamente
6 a 8 veces más presión de impacto sobre la superficie objetivo
para una presión fuente dada. Por tanto, para lograr la misma
capacidad erosiva, la boquilla pulsátil necesita funcionar sólo con
una fuente de presión que es de 6 a 8 veces menos potente. Puesto
que la boquilla pulsátil puede utilizarse con una bomba mucho más
pequeña y menos cara, es más económica que las boquillas de chorro
de agua de flujo continuo. Además, puesto que la presión del chorro
de agua en la boquilla, las tuberías y los conectores es mucho
menor con una boquilla ultrasónica, la boquilla ultrasónica puede
diseñarse para que sea más ligera, menos engorrosa y más
económica.
Aunque la boquilla ultrasónica descrita en la
patente US nº 5.154.347 representaba un avance sustancial en la
tecnología de corte y limpieza con chorro de agua, el solicitante
encontró que eran deseables refinamientos y mejoras adicionales. La
primera iteración de la boquilla ultrasónica, que se describe en la
patente US nº 5.154.347, demostró no ser óptima debido a que se
utilizó conjuntamente con generadores de chorros de agua
previamente existentes. Surgió por tanto la necesidad de un aparato
de chorro de agua ultrasónico completo que se beneficie totalmente
de la boquilla ultrasónica.
Se demostró también que era deseable modificar
la boquilla ultrasónica para hacerla más eficaz desde una
perspectiva fluidodinámica, para que pudiese limpiar y eliminar
recubrimientos más eficazmente de grandes superficies, y para que
sea más ergonómica en las manos del usuario final.
En la publicación titulada "Design and
development of a prototype pulsed water jet machine for the removal
of hard coatings" (Proc. 14th International Conference on jetting
technology BHR group Conference series - n.º 32, 1998, páginas
39-57), M. Vijay, el inventor de la presente
tecnología, explica resumidamente un aparato de chorro de agua
impulsado prototipo según el preámbulo de la reivindicación 1 que
presenta un transductor piezoeléctrico o magnetoestrictivo para
generar un chorro de agua pulsado de impulsos de presión de agua.
Aunque esta tecnología básica era prometedora en teoría, no obstante
no era óptima en el diseño e implementación. En vista del primer
prototipo presentado en dicha publicación, se consideraron
necesarias mejoras en el diseño del aparato, en particular para
optimizar la micropunta del transductor, para producir un aparato de
chorro de agua pulsado optimizado.
Por consiguiente, en vista de las deficiencias
anteriores, resultaría sumamente deseable proporcionar un aparato
de chorro de agua ultrasónico mejorado.
Un objetivo principal de la presente invención
consiste en superar por lo menos algunas de las deficiencias de la
técnica anterior indicada anteriormente.
Este objetivo se logra mediante los elementos
definidos en la reivindicación 1 adjunta. Se definen características
opcionales y las formas de realización alternativas en las
reivindicaciones subordinadas.
Por tanto, la presente invención proporciona un
aparato de chorro de agua ultrasónico según la reivindicación
1.
Las ventajas y características adicionales de la
presente invención resultarán evidentes a partir de la siguiente
descripción detallada, haciendo referencia a los dibujos adjuntos,
en los que:
la figura 1 es una vista lateral esquemática de
un aparato de chorro de agua ultrasónico que presenta un módulo
generador móvil conectado a una pistola de mano según una forma de
realización de la presente invención;
la figura 2 es un diagrama de flujo esquemático
que ilustra el funcionamiento del módulo generador móvil;
la figura 3 es un esquema que representa el
funcionamiento del aparato de chorro de agua ultrasónico;
la figura 4 es una vista en planta superior del
módulo generador móvil;
la figura 5 es una vista en alzado posterior del
módulo generador móvil;
la figura 6 es una vista en alzado desde la
izquierda del módulo generador móvil;
la figura 7 es una vista en sección transversal
de una boquilla ultrasónica que presenta un transductor
piezoeléctrico para su uso en el aparato de chorro de agua
ultrasónico;
la figura 8 es una vista en alzado lateral de la
boquilla ultrasónica montada en una base con ruedas para su uso en
la limpieza o descontaminación de la parte inferior de un
vehículo;
la figura 9 es una vista en sección transversal
de una boquilla ultrasónica que representa los detalles de un
acceso lateral para la toma de agua y la disposición de una
micropunta para modular el chorro de agua;
la figura 10 es una vista en alzado lateral de
una micropunta que presenta la forma de un cilindro escalonado;
la figura 11 es una vista en sección transversal
de una boquilla de múltiples orificios para su uso en una forma de
realización del aparato de chorro de agua ultrasónico;
la figura 12 es una vista en sección transversal
esquemática de una forma de realización del aparato de chorro de
agua ultrasónico que presenta un cabezal de boquilla rotativa que se
hace rotar mediante el par motor generado por dos chorros
externos;
la figura 13 es una vista en sección transversal
de una boquilla ultrasónica rotativa que presenta orificios en
ángulo;
la figura 14 es una vista en sección transversal
de una variante de la boquilla ultrasónica rotativa de la figura
13;
la figura 15 es una vista en sección transversal
de otra variante de la boquilla ultrasónica rotativa de la figura
13;
la figura 16 es una vista en sección transversal
de una boquilla ultrasónica que presenta un transductor
magnetoestrictivo empotrado;
la figura 17 es una vista en sección transversal
esquemática de un transductor magnetoestrictivo en forma de un
núcleo cilíndrico;
la figura 18 es una vista en sección transversal
de una boquilla ultrasónica con un núcleo cilíndrico
magnetoestrictivo;
la figura 19 es una vista en sección transversal
de una boquilla ultrasónica con un núcleo tubular
magnetoestrictivo;
la figura 20 es una vista en sección transversal
esquemática de una boquilla de doble orificio rotativa con una
bobina estacionaria; y
la figura 21 es una vista en sección transversal
esquemática de una boquilla de doble orificio rotativa con una
placa rotativa.
Debe apreciarse que en todos los dibujos
adjuntos, las características similares se identifican mediante
números de referencia similares.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 ilustra un aparato de chorro de agua
ultrasónico según una forma de realización de la presente
invención. El aparato de chorro de agua ultrasónico, que se designa
generalmente mediante el número de referencia 10, presenta un
módulo 20 generador móvil (también conocido como generador de chorro
de agua pulsado forzado). El módulo 20 generador móvil está
conectado a través de un tubo de agua a alta presión 40, un tubo de
aire comprimido 42, un cable de señal ultrasónica 44 y un cable de
señal de disparo 46 a una pistola 50 de mano. El tubo de agua a
alta presión 40 y el tubo de aire comprimido 42 están enfundados en
una funda de nailon resistente a la abrasión. El cable de señal
ultrasónica 44 está contenido dentro del tubo de aire comprimido 42
por motivos de seguridad. El aire comprimido se utiliza para enfriar
un transductor, que se presentará y describirá a continuación.
La pistola 50 de mano presenta un disparador de
pulsación 52 y un disparador de válvula de descarga 54. La pistola
de mano presenta también una boquilla ultrasónica 60. La boquilla
ultrasónica 60 presenta un transductor 62 que es o bien un
transductor piezoeléctrico o bien un transductor piezomagnético. El
transductor piezomagnético está realizado en un material
magnetoestrictivo tal como una aleación de Terfenol^{TM}.
Tal como se ilustra en la figura 2, el módulo 20
generador móvil presenta un generador 21 ultrasónico que genera
impulsos eléctricos de alta frecuencia, normalmente en el orden de
20 kHz. El generador 21 ultrasónico está alimentado mediante una
entrada de potencia eléctrica 22 y controlado mediante una unidad 23
de control (que está también alimentada mediante la entrada de
potencia eléctrica, preferiblemente una fuente de 220 V). El módulo
generador móvil presenta también una entrada de agua a alta presión
24 que está conectada a una fuente de agua a alta presión (no
ilustrada pero conocida en la técnica). La entrada de agua a alta
presión está conectada a un colector de agua a alta presión 25. Se
utiliza un indicador 26 de agua a alta presión conectado al
colector de agua a alta presión 25 para medir la presión del agua.
Una válvula de descarga 27 está también conectada al colector de
agua a alta presión. La válvula de descarga 27 se acciona mediante
un solenoide 28 que está controlado mediante la unidad 23 de
control. La válvula de descarga está ubicada en el módulo 20
generador móvil, en lugar de en la pistola, con el fin de aligerar
la pistola y para reducir el efecto de las fuerzas de sacudida
sobre el usuario cuando se dispara la válvula de descarga.
Finalmente, un conmutador 29 y la presión del agua a alta presión
proporcionan una señal de realimentación a la unidad de
control.
Haciendo todavía referencia a la figura 2, el
módulo 20 generador móvil presenta también una entrada de aire 30
para recibir aire comprimido de una fuente de aire comprimido (no
mostrada, pero conocida en la técnica). La entrada de aire 30 se
conecta a un colector de aire 31, un indicador de aire 32 y un
sensor y conmutador de la presión del aire 33 para proporcionar una
señal de realimentación a la unidad de control. La unidad de
control también recibe una señal de disparo a través del cable de
señal de disparo 46. La unidad 23 de control del módulo 20
generador móvil está concebida no sólo para garantizar la seguridad
del operario sino también para proteger los componentes sensibles
del aparato. Por ejemplo, si no existe flujo de aire a través del
transductor, ni flujo de agua a través de la pistola, entonces no es
posible activar el generador ultrasónico.
Tal como se muestra en la figura 2, el módulo 20
generador móvil presenta una salida de agua a alta presión 40a, una
salida de aire comprimido 42a y una salida 44a de señal ultrasónica
que están conectadas a la pistola 50 de mano a través del tubo de
agua a alta presión 40, el tubo de aire comprimido 42 y el cable de
señal ultrasónica 44, respectivamente.
La figura 3 es un diagrama esquemático del
cableado y tendido del aparato 10 de chorro de agua ultrasónico. El
tubo de aire comprimido está estipulado para 690 kPa (100 psi) y
transporta dentro del mismo el cable de señal ultrasónica que está
estipulado para transmitir impulsos de 3,5 kV de alta frecuencia. El
tubo de aire y el cable de señal ultrasónica están enchufados
conectando con el transductor en la pistola. El tubo de agua a alta
presión está estipulado para un máximo de 138 MPa (20.000 psi) y
está conectado a la pistola pero aguas abajo del transductor tal
como se muestra. El cable de señal de disparo, concebido para
transportar señales de 27 VAC, 0,7A, une el disparador y el módulo
generador.
Tal como se representa en la figura 3, el
aparato 10 de chorro de agua ultrasónico presenta varias
características de seguridad. Todos los receptáculos eléctricos
están o bien cargados por resorte o bien cerrados con tuercas. Tal
como se mencionó anteriormente, los tubos de agua y aire están
enfundados en nailon resistente a la abrasión para soportar el
desgaste y el rasgado. Además, en el caso improbable de que un tubo
de aire quede cortado por exposición accidental al chorro de agua,
el voltaje en el cable de señal ultrasónica se reduce
instantáneamente a cero mediante el conmutador y sensor de la
presión de aire.
Las figuras 4, 5 y 6 son dibujos del conjunto
detallado del módulo 20 generador móvil que muestran sus diversos
componentes. El módulo 20 generador móvil presenta un conjunto de
filtro de aire 34 para proteger el transductor del polvo, el aceite
y la suciedad. El solenoide 28 está acoplado a un conjunto de
accionador neumático 35 para accionar la válvula de descarga. El
conjunto de accionador neumático incluye una válvula neumática 35a,
un cilindro de aire 35b, una válvula de entrada del cilindro de aire
35c, una válvula de salida del cilindro de aire 35d. El módulo 20
generador móvil incluye además una abrazadera de entrada de
agua/aire 36, una abrazadera de salida de agua/aire 37, un soporte
38 colgante de tubería, el conmutador de la presión de agua 29, el
conmutador de la presión de aire 33 y una abrazadera que cambia la
presión de agua/aire 39.
Haciendo referencia a la figura 7, la boquilla
ultrasónica 60 del aparato 10 de chorro de agua ultrasónico utiliza
un transductor piezoeléctrico o un transductor piezomagnético
(magnetoestrictivo) 62 que está conectado a una micropunta 64, o,
"transformador de velocidad", para modular, o pulsar, un chorro
de agua de flujo continuo que sale de un cabezal de boquilla 66,
transformando de ese modo el chorro de agua de flujo continuo en un
chorro de agua con impulsos. La boquilla ultrasónica 60 forma lo que
se conoce en la técnica como un "chorro de agua pulsado
forzado", o un chorro de agua con impulsos. El chorro de agua con
impulsos es una corriente, o tren de paquetes de agua o impulsos de
presión de agua, que transmite cada uno una presión de golpe de
ariete sobre una superficie objetivo. Debido a que la presión de
golpe de ariete es significativamente mayor que la presión de
estancamiento de un chorro de agua de flujo continuo, el chorro de
agua con impulsos es mucho más eficaz en el corte, la limpieza, el
desbastado, la eliminación de recubrimientos y la rotura.
La boquilla ultrasónica puede fijarse sobre una
pistola de mano tal como se muestra en la figura 1 o puede
instalarse sobre un pórtico X-Y controlado por
ordenador (para operaciones de mecanizado o corte de precisión). La
boquilla ultrasónica puede fijarse también sobre una base 70 con
ruedas tal como se muestra en la figura 8. La base 70 con ruedas
presenta un mango 72 y una placa rotativa 74 y orificios rotativos
dobles 76. La base con ruedas de la figura 8 puede utilizarse para
la limpieza o la descontaminación de la parte inferior de un
vehículo.
El chorro de agua de flujo continuo entra a
través de una entrada de agua aguas abajo del transductor tal como
se muestra en la figura 7. Tal como se muestra en la figura 7 y la
figura 9, el agua entra en la boquilla ultrasónica 60 a través de
un acceso lateral 80 que está en comunicación de fluido con una
entrada de agua 82. El agua no choca directamente sobre el extremo
fino de la micropunta 64, lo que es importante porque esto obvia el
establecimiento de oscilaciones transversales perjudiciales de la
micropunta. Las oscilaciones transversales de la micropunta alteran
el chorro de agua y pueden conducir a la fractura de la
micropunta.
Aunque la micropunta puede estar conformada de
una variedad de maneras (cónica, exponencial, etc.), el perfil
preferido de la micropunta es el de un cilindro escalonado, tal como
se muestra en la figura 10, que es de fabricación sencilla,
duradero y ofrece una buena dinámica de fluidos. La micropunta 64
está hecha preferiblemente de una aleación de titanio. Se utiliza
una aleación de titanio debido a su alta velocidad sónica y porque
ofrece una amplitud máxima de oscilaciones de la punta. Tal como se
muestra en la figura 10, la micropunta 64 presenta un soporte 67 y
un vástago 65. El soporte 67 dispone de una rosca hembra para su
conexión al transductor. El vástago 65 es fino y está ubicado aguas
abajo de modo que puede entrar en contacto con y modular el chorro
de agua. También se muestra en la figura 10 una pestaña 69 dispuesta
entre el soporte 67 y el vástago 65. La pestaña 69 define un plano
69a nodal. A medida que las ondas de sonido se desplazan aguas abajo
(de izquierda a derecha en la figura 10), y se reflejan en la
punta, se establece un patrón de ondas estacionarias en la
micropunta 64. En el plano 69a nodal, la amplitud de las ondas
estacionarias es cero y por tanto es la ubicación óptima para
colocar una junta tórica (no mostrada) para sellar el agua a alta
presión. La junta tórica se clasifica como dura con una dureza
Shore de 85 (durómetro) o superior.
Tal como se muestra en la figura 7, la boquilla
ultrasónica 60 presenta un único orificio 61. Un único orificio es
útil para muchas aplicaciones tales como corte y desbastado de
diversos materiales así como rotura de materiales similares a
rocas. Sin embargo, para aplicaciones tales como limpieza o
eliminación de recubrimientos de áreas superficiales grandes, un
único orificio sólo elimina una estrecha franja por paso. Por tanto,
para aplicaciones tales como limpieza y eliminación de
recubrimientos tales como pintura, esmalte u óxido, es útil
proporcionar una segunda forma de realización en la que la boquilla
ultrasónica presenta una pluralidad de orificios. Una boquilla
ultrasónica 60 con tres orificios 61a se muestra en la figura 11. La
micropunta presenta tres dientes para modular el chorro de agua a
medida que se fuerza a través de los tres orificios de salida
paralelos. Por tanto, la boquilla de tres orificios de la figura 11
puede limpiar o eliminar el recubrimiento de una franja más ancha
que una boquilla de orificio único. Tal como se muestra en la figura
11, una tuerca 60a sujeta la boquilla de múltiples orificios a una
carcasa 60b. La figura 11 muestra cómo la micropunta 64 culmina en
tres dientes 64a, uno para cada uno de los tres orificios 61a.
En una tercera forma de realización, que se
ilustra en la figura 12, la boquilla ultrasónica 60 presenta un
cabezal de boquilla rotativa 90 que permite que la boquilla
ultrasónica 60 limpie un área superficial grande o elimine su
recubrimiento eficazmente. El cabezal de boquilla rotativa 90 es
autorrotativo debido a que se purga agua en dos chorros 92
externos. El agua de purga genera un par motor que provoca que los
chorros 92 externos giren, lo que, a su vez, provoca que el cabezal
de boquilla rotativa 90 gire. En esta forma de realización, el
volumen del chorro de agua se fuerza a través de uno o dos orificios
de salida 91 en ángulo. Dependiendo del material que va a
limpiarse, los chorros externos pueden contribuir o no al proceso de
limpieza. Se interpone una placa rotativa 94 acústicamente igualada
entre el transductor y el cabezal de boquilla rotativa. La placa
rotativa 94 está diseñada no sólo para soportar la presión sino
también para igualarse acústicamente con el resto del sistema para
lograr una resonancia. La placa rotativa 94 puede presentar o no un
mecanismo de control de la velocidad, tal como un amortiguador
rotativo, para limitar la velocidad angular del cabezal de boquilla
rotativa.
Tal como se muestra en las figuras 13, 14 y 15,
la autorrotación del cabezal de boquilla rotativa 90 puede lograrse
variando el ángulo de orientación de los orificios de salida 91. A
medida que el chorro de agua es forzado fuera de los orificios de
salida, se genera un par motor que provoca que el cabezal de
boquilla rotativa 90 rote. Puede instalarse un amortiguador
rotativo en la placa rotativa 94 para limitar la velocidad angular
del cabezal de boquilla rotativa 90. Las configuraciones
representadas en las figuras 13, 14 y 15 son particularmente útiles
en espacios confinados. Para limpieza de grandes superficies y
eliminación de sus recubrimientos, también es posible utilizar una
única boquilla oscilante.
Para operaciones debajo del agua, se utiliza el
transductor piezomagnético en vez del piezoeléctrico que no puede
sumergirse en el agua. El transductor piezomagnético 62 puede
disponerse dentro de la boquilla 60 a diferencia del transductor
piezoeléctrico. El transductor piezomagnético utiliza un material
magnetoestrictivo tal como una de las aleaciones comercialmente
disponibles de Terfenol^{TM}. Estos transductores
magnetoestrictivos a base de Terfenol son compactos y sumergibles
en la boquilla 60 tal como se muestra en la figura 16. Mientras que
el transductor piezoeléctrico produce oscilaciones mecánicas en
respuesta a un campo eléctrico oscilante aplicado, el material
magnetoestrictivo produce oscilaciones mecánicas en respuesta a un
campo magnético aplicado (mediante una bobina y un imán de
polarización tal como se muestra en la figura 17). Sin embargo, para
un funcionamiento fiable, es importante mantener el material
magnetoestrictivo por debajo de la temperatura de Curie y siempre
bajo compresión. Mientras que la tensión compresiva puede aplicarse
mediante las placas de extremo mostradas en la figura 17, el
enfriamiento para mantenerlo por debajo del punto de Curie,
particularmente para las utilizaciones descritas en la presente
memoria, requiere una de varias técnicas diferentes, dependiendo de
la aplicación.
La figura 17 muestra una configuración de
conjunto para un transductor magnetoestrictivo 62. Se utiliza una
aleación de Terfenol^{TM} como núcleo magnetoestrictivo 100. El
núcleo 100 está rodeado concéntricamente por una bobina 102 y un
imán 104 de polarización tal como se muestra. Una placa de carga
106, un resorte 107 y una placa de extremo 108 mantienen el
conjunto en compresión.
Para aplicaciones de corta duración, que no
requieren cabezales de boquillas rotativas, la configuración
mostrada en la figura 16 es adecuada. En esta configuración, el
transductor se enfría mediante un flujo de aire justo como en el
caso de un transductor piezoeléctrico (por ejemplo mediante aire
comprimido que se fuerza sobre el transductor).
Para un periodo de funcionamiento largo, o para
el funcionamiento en una configuración rotativa, este tipo de
enfriamiento por flujo de aire no es una solución viable. Pueden
adoptarse las configuraciones mostradas en las figuras 18, 19, 20 y
21 para cualquier situación exigente. Tal como se ilustra en la
figura 18, la varilla de Terfenol se enfría mediante agua a alta
presión que fluye a través de un paso anular. Por otro lado, tal
como se ilustra en la figura 19, el Terfenol se conforma como un
tubo 100a para potenciar adicionalmente el enfriamiento. El tubo de
Terfenol se coloca dentro de la bobina 102 y el imán 104 de
polarización, como anteriormente. Las configuraciones mostradas en
las figuras 18 y 19 pueden utilizarse para configuraciones de
múltiples orificios no rotativas.
Para cabezales de boquillas rotativas que
incorporan dos o más orificios, las configuraciones ilustradas en
las figuras 20 y 21 son más adecuadas. Tal como se muestra en las
figuras 20 y 21, se fuerza agua a alta presión a través de una
entrada 82, se le transmiten impulsos y entonces se expulsa a través
de dos orificios de salida 76. Cada orificio de salida presenta su
propia micropunta 64, o "sonda", que se hace vibrar mediante el
transductor magnetoestrictivo 62. En la figura 20, el cabezal de
boquilla 66 se hace rotar mientras que la bobina 102 permanece
estacionaria. En la figura 21, la boquilla se hace rotar utilizando
una placa rotativa 74 tal como se describió anteriormente. Como
resultado, el chorro de agua impulsado se divide en dos chorros para
limpiar un área superficial grande o eliminar su recubrimiento
eficazmente.
Claims (14)
1. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
que comprende:
- una entrada de agua a alta presión (24) para recibir un flujo de agua a alta presión;
- un generador ultrasónico (21) para generar impulsos eléctricos de alta frecuencia;
- una unidad de control (23) para controlar una frecuencia de los impulsos eléctricos;
- una boquilla ultrasónica (60) que presenta:
- un transductor (62) para recibir los impulsos eléctricos de alta frecuencia del generador ultrasónico, convirtiendo el transductor los impulsos eléctricos en vibraciones;
- una micropunta (64) que comprende:
- un soporte (67) conectado al transductor;
- un vástago (65) conectado al soporte y que se extiende aguas abajo hacia un orificio de salida (61) de la boquilla, vibrando la micropunta de manera ultrasónica para generar así un chorro de agua impulsado forzado,
caracterizado porque
la micropunta (64) comprende una pestaña (69)
conectada al soporte para aislar el transductor del flujo de agua a
alta presión; y
porque el soporte (67) comprende un roscado para
fijarse al vástago (65).
2. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, en el que la micropunta (64) es un
cilindro escalonado.
3. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, en el que la entrada de agua a alta
presión (24) entra en la boquilla ultrasónica (60) a través de un
acceso lateral (80) que está en comunicación de fluido con una
entrada de agua (82), de modo que el agua no incide directamente
sobre el vástago (65) de la micropunta (64).
4. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, en el que el transductor (62) es un
transductor piezoeléctrico o piezomagnético.
5. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, en el que la unidad de control (23)
recibe además señales de un indicador (26) de la presión del agua
para medir la presión del agua en el agua que entra en la entrada
de agua a alta presión (24).
6. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, que comprende además una válvula de
descarga de agua (27) y un accionador (28) para abrir y cerrar la
válvula de descarga de agua.
7. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, que comprende además un tubo de aire
comprimido (42) para proporcionar aire comprimido para enfriar el
transductor.
8. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, que comprende además un cable de señal
ultrasónica (44) para transmitir los impulsos eléctricos desde el
generador ultrasónico hasta el transductor, estando el cable por lo
menos parcialmente alojado dentro del tubo de aire comprimido.
9. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, en el que la boquilla ultrasónica
comprende una pluralidad de orificios de salida (61a).
10. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 9, en el que la micropunta (64) comprende
múltiples dientes, uno para cada uno de la pluralidad de orificios
de salida.
11. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 1, que comprende un cabezal de boquilla
rotativa (90) que incluye el orificio de salida (61) a través del
que surge el chorro de agua impulsado forzado.
12. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 11, en el que la boquilla ultrasónica (60)
comprende además un par de chorros externos (92) en comunicación de
fluido con el chorro de agua para proporcionar un par motor para la
autorrotación del cabezal de boquilla (90).
13. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 12, en el que el cabezal de boquilla
rotativa (90) comprende una pluralidad de orificios de salida
(61a).
14. Aparato de chorro de agua ultrasónico (10)
según la reivindicación 12, en el que el cabezal de boquilla
rotativa (90) comprende una pluralidad de orificios de salida en
ángulo (91) que generan un par motor para rotar el cabezal de
boquilla.
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